齐碳科技发布国产首台四代基因测序仪,为中国基因测序市场加码

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齐碳科技发布国产首台四代基因测序仪,为中国基因测序市场加码
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2020年9 月 21 日,齐碳科技有限公司(以下简称“齐碳科技”)发布了四代纳米孔单分子基因测序 QNome-9604。这是中国首台自主研发的四代纳米孔单分子基因测序仪,填补了中国市场的空白。

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图 | QNome-9604 产品图(来源:齐碳科技)

QNome-9604 小型便携,一同发布的还有测序芯片 QCell-3841 和测序试剂盒 Qeagen-8。三者配合,可以达到 150k 以上的超长读长,8 小时稳定产出 500M,适用于微生物检测、扩增子测序等快速灵活的使用场景,可分离式芯片设计极大降低单次使用成本。

QNome-9604 的发布,对于齐碳而言是一座重要里程碑,对于中国基因检测行业来说,也是补足上游产业链、跻身世界一流测序市场的一大进展和突破。齐碳科技成立仅 4 年,一直在中国纳米孔基因测序仪及配套试剂的自主研发、制造领域位居前列,深受资本青睐。2020 年 5 月,齐碳科技完成了由高榕资本领投,银杏谷资本、雅惠投资等跟投的超 1 亿元人民币的 A 轮融资。

关于此次齐碳科技发布产品,生辉联系到了高榕资本的项目负责人,他表示:“在上游产业中,高榕希望能助力国产测序仪品牌走自主创新道路。齐碳科技无论是团队实力还是产品性能都处于国内单分子测序仪业内领先地位。我们也希望这次产品的发布是一个契机,能吸引更多下游服务开发商一起努力建立国内基因测序的生态圈,共同推进单分子测序在科研端、临床端的应用。”

国产测序仪如何突围

基因测序市场高速增长,行业上下游合作引人关注。从全球的范围来看,测序市场规模增长最快的是亚洲市场,中国和印度的市场增长率均超过 20%。从中国精准医疗市场结构上来看,基因测序在精准诊断产业中占据了最大份额,所占比例达 52%。根据 CB Insights 的市场调研报告,从 2015 年到 2020 年,全球医疗诊断领域的融资金额从 365 亿美元增加到 764 亿美元。

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图 | 医疗诊断领域融资情况(来源:CB Insights)

基因测序产业链主要分为上游基因测序设备制造厂商,中游面向终端用户的测序服务机构及生物信息分析机构,下游基因测序服务的使用者,包括医疗机构、科研机构、制药公司和个人用户等。其中,产业链上游是技术壁垒最高的环节之一,也是玩家最少的部分。从全球来看,上游基因测序仪大多被欧美大厂所垄断,巨头主要包括 IlluminaThermo Fisher 以及 Roche

在国内,位于产业链上游的公司屈指可数。上游的高价垄断严重限制了中下游的发展,对于市场议价极不利好。随着基因测序行业的发展,中下游提供各种基因测序产品和服务的公司层出不穷,全球基因测序市场以前所未有的速度发展,引领技术革新是走出基因测序下游产业竞争红海的关键。无论是从国家层面,还是市场需求角度,国产替代已成一大趋势。

如何从巨头环伺的市场中突围?齐碳科技选择了第四代测序技术。

第四代测序技术也称为纳米孔单分子测序,是基于电信号测序的技术,原理是通过电场力驱动单链核酸分子穿过纳米尺寸的蛋白孔道,由于不同的碱基通过纳米孔道时产生了不同阻断程度和阻断时间的电流信号,由此可根据电流信号识别每条核酸分子上的碱基信息,从而实现对单链核酸分子的测序

巨头的动向揭示行业的风向。罗氏收购第四代测序技术公司 Genia 以及 Illumina 早前投资 Oxford Nanopore,并且后者目前估值已达到十五亿英镑,顺利闯进以二代测序为主流的 “全球十大测序公司” 的阵营,这也从侧面说明了市场对第四代技术的信心。

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图 | 全球十大测序公司

由于四代研发的困难,真正进入市场的公司寥寥无几。目前,全球市场上研发四代测序的主要是 Oxford Nanopore 公司,旗下产品包括 Flongle、MinION、GridIONMk1、PrometnION 以及在研产品 SmidgION 和 Plongle。根据齐碳科技发布的产品参数,读长方面,QNome-9604 四代测序仪可以达到 150k 以上,通量方面,8 小时稳定产出 500M,可以与 Oxford Nanopore 公司的 Flongle 对标。价格方面,齐碳科技具备一定优势,并且计划与科研院所和医疗机构等展开合作。

在中国市场上,齐碳科技是四代测序技术的领头人,短短四年,实现从原理样机到工程样机的研发,是中国唯一一家实现样机开发并成功得到有效数据的企业。如今,产品定型发布上市,这一过程充满挑战。

以四代测序仪寻求突破

第四代测序仪的研发过程涉及多个学科,包括生物蛋白、流体芯片、信号处理电路、测序软件等方面。并且,不同学术背景的研发人员相互交流、配合,需要不断地学习磨合,才能够实现跨学科交流无阻碍。

齐碳科技解决这一挑战的方式是组建一支跨学科的团队。根据公开信息,齐碳科技联合创始人白净卫、谢丹、胡庚分别是基因测序、生物信息和电子电路方面的专家,其研发团队目前 70 余人,包括多位来自清华、北大、中科院、牛津大学等国内外著名院校的高级专业人才。

其次,在这些学科领域上的研发都是不小的挑战,纳米孔蛋白是纳米孔基因测序仪的核心硬件,用来提供纳米尺寸的蛋白质孔道,控速蛋白用来控制单链核酸通过纳米孔蛋白的速度。以上两种蛋白都是通过生物学方法培养并提取出来的,其结构设计和制造工艺都有较高的技术门槛。

此外,流体芯片需要为纳米孔基因测序提供带电的流体环境,增加测序通路,容纳更多纳米孔蛋白和控速蛋白并行测序,增加设备的通量和测序速度,同时提高稳定性和耐用性。信号处理电路收集纳米孔基因测序产生的皮安(pA)级别的极微弱电流,再加以放大,方便普通设备识别,同时要尽可能地去除噪音,保留有效信息。最后还需要开发人工智能算法,分析电信号,快速准确地读出目标基因序列。

齐碳科技具有自主知识产权的纳米孔蛋白和控速蛋白提升了测序速度和稳定性;优化的核酸文库制备方案保证了长读长测序能力和测序效率;创新设计的纳米孔通道阵列结构配合定制的 ASIC 专用集成电路,功能越来越强,尺寸越来越小;基于深度学习技术的新型碱基识别算法提高了测序准确率。随着生化、硬件和算法等基础学科的进步,还将进一步提升纳米孔基因测序仪的准确率和稳定性。

“尽管基因组、转录组、蛋白组研究迄今已有超过 20 年的发展历史,但是人类对生命遗传本质的理解依然只是掀开冰山一角。整个行业既需要下游应用的多元化突破,也需要上游仪器制造的技术迭代,提供更全面且精准的信息内容、更快速且低成本的数据输出。从技术实现路径而言,以 SBS 为代表的 NGS 测序和以纳米孔为代表的单分子测序是已得到市场验证的技术路线,并且可以互补实现 DNA、RNA、蛋白的信息拼图。” 高榕资本的项目负责人对生辉说道。

基于以上的技术储备,相较于当下主流的二代测序仪,QNome-9604 四代测序仪具备了长读长能力、实时分析、直接测序、便携易用的特点和优势。

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图 | 不同测序技术比较

读长更长,更适合检测基因组结构变异,进行宏基因组测序;可以实时输出测序结果,因而可用于即时检测和快速诊断;可直接检测过孔核酸,所以能检测 DNA 甲基化、RNA 及其修饰;文库制备简单,便于提供一站式解决方案;同时,它的仪器本身小巧便携,能把基因测序从专业实验室里解放出来,走进基层、社区,随时随地现场检测,极具消费级应用的潜力。

第四代测序仪的研发极为困难,作为一家初创公司,齐碳科技用四年的时间带来 QNome-9604 四代纳米孔测序仪,打破了中国四代测序市场的空白,这是齐碳科技精准布局,专注市场需求的回报,也有望缓解欧美巨头垄断测序市场的局面。

人类对基因世界的探索征途才刚刚开始,QNome-9604 即将见证一个全新的测序时代的到来,将用低成本、高质量、高通量的测序平台,帮助科学家们实现自人类基因组计划以来的梦想和希望。

提及对齐碳科技未来发展的期待,高榕资本项目负责人指出:“未来一方面期待齐碳不断迭代升级现有产品,满足更多下游服务伙伴公司们的需求;另一方面也期望齐碳能更深入挖掘纳米孔作为一个平台型技术的潜力,从基因组出发,进一步探索技术的可延展性。”

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