【投资者投资】基因测序不再允许人体有隐秘(一)

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对特定DNA片断的碱基序枚举行剖析的基因测序,可以用来诊断疾病,也可以用于疾病风险的展望。可以说这次全球新冠疫情的还击战,就是从中国科学家宣布新冠病毒的基因序列最先的。这项手艺对于识别和跟踪新冠病变异也施展着要害的作用。随着测序的价钱已经廉价了1000万倍,质量提高了100000倍,业内人士正在展望一个新的手艺范式正在到来,我们即将进入一个不停监测身体和一切事物的遗传信息的未来。《纽约时报》杂志特约作者Jon Gertner聚焦了基因测序这个新的平台手艺的最新希望,并为我们描绘了一个测序与诊断等同的未来天下。原文题目是:Tracking the Covid Code。篇幅关系,我们分三部门刊出,此为第一部门。

划重点:

遗传组分被用于应对新冠病毒的方方面面

跟踪病毒变异离不开基因测序

测序仪变得更好、更快、更易用

基因组测序已经逐步聚积起影响更为深远的希望

商业基因组测序的泛起,最近被拿来跟显微镜的发现相提并论

在一片杂乱与全球灾难之中,廉价,快速的测序时代已经悄然来临

2020年1月初的周六早上,Edward Holmes正在澳大利亚跟中国科学家振通过电话攀谈,后者刚刚对一种正在熏染武汉的新型病原体的基因组举行了测序。两位老同伙对效果发生了争执。悉尼大学病毒学家Holmes教授回忆说:“我知道我们正在研究的是一种呼吸道病毒。” 他还知道病毒看起来很危险。

Holmes问张永振能不能向民众分享该病毒的遗传密码?那时张永振正在等着飞机腾飞。他希望给自己一分钟的时间思量。于是Holmes就在电话这头等着。他听到空姐在敦促张永振关机。

“好吧,”张永振最后说。Holmes险些是马上就把该序列宣布在了一个名为Virologic.org的网站上。然后他又跑到Twitter上宣布相关网页的链接。Holmes知道,天下各地的研究职员会立刻着手去解开这一病原体的密码,好找到击败它的方式。

从Holmes第一次把病毒基因组宣布出去的那一刻起,若是注意的话,在我们的公共卫生对SARS-CoV-2险些所有的应对措施当中你险些都能找到一个遗传组分。譬喻说,制药公司往往需要病毒样原本制备疫苗。然则,一旦序列泛起在公共领域,马萨诸塞州剑桥市的一家不起眼的生物手艺公司,莫德纳(Moderna)马上就最先跟美国国立卫生研究院(NIH)互助制订一项设计。去年,也就是莫德纳的疫苗拿到FDA紧要使用授权的6个月前,依诺米那(Illumina,张永振就是用他们的测序仪举行病毒基因测序的) CEO Francis deSouza用稍带震惊的语气说:“他们手头基本就没拿到病毒,他们简直只是行使了病毒的基因序列,并把它看作是软件问题。”该病毒的代码也让整个测试行业都动起来了。只有通过剖析病毒遗传序列的特征,科学家才气为所谓的PCR(聚合酶链式反映测试,几十年来一直在行使遗传信息来举行快速诊断测试)装备制作出试剂盒。

与此同时,基因测序也被用来跟踪病毒的变异——2020年2月揭晓的研究解释该病毒正在美国流传。这项事情属于基因组盛行病学(“gen epi ”)的局限。其中许多的洞察可以追溯到1990年月中期英国牛津大学的一群研究职员,当中就有Holmes。他们以为,每10天(像流感)或者每20天(像埃博拉)跟踪获得持久性突变的病毒的进化转变,在本质上类似于在对动物的跟踪,不外后者的进化也许每百万年才发生一次。

这项事情中早期遇到的障碍之一是太过乏味。牛津大学的研究小组必须通过一个缓慢而审慎的流程来对遗传符号举行剖析,从中去洞察出每种新变体的几十个特征。这个缓慢的历程直到2000年月末才有了改观,由于盘算机手艺的伟大飞跃,基因测序仪也获得了伟大改善,研究职员终于可以更轻松、更快速地读取病毒的完整遗传密码,以及人类、动物、植物和微生物的遗传蓝图了。

在公共卫生领域,基因组测序变快带来的第一个重大突破泛起在2014年,那时,在非洲发作疫情时代,麻省理工学院和哈佛大学的一个研究小组最先对受熏染者的埃博拉病毒样本举行测序。他们的事情解释,通过对遗传密码举行对比,可以识别出隐藏的流传途径并将其打破,从而有可能减慢(甚至阻止)感染。这就是厥后所谓的基因监测的最早的现实用例之一。几年之后,随身携带了便携式基因组测序仪的医生最先跟踪中南美洲的寨卡病毒。测序仪变得更好、更快、更易用。

对于许多人来说,他们对这项手艺最熟悉的面貌是临床试验公司。这些公司会用测序仪来读取我们的部门遗传密码(基因包测序panel或外显子组测序exomes)来研究一些要害基因,譬喻说那些跟患乳腺癌更高风险相关的基因。然则,近年来,在从小我私人康健到文化人类学再到环境监测等领域,基因组测序已经逐步聚积起影响更为深远的希望。依赖测序的手艺Crispr让科学家有可能修复我们基因组中引起疾病的突变。“液体活检”(Liquid biopsies)通过剖析少量血液当中的DNA符号物,可以让我们在症状泛起之前很早就给出对癌症诊断的预期。哈佛大学遗传学家George Church示意,有朝一日可能只需传感器 “抿一口空气”,手机上的基因组app就可以告诉我们屋内是否存在病原体。测序甚至可能可以把我们想要的DNA的任何类型的数据都存储起来——从理论上来说,这样的归档系统会异常的高效和高密度,以至于整个互联网的内容都保留在一个枕套内里。

科学史学家有时会讨论新范式或方式,会改变我们对真实或可能存在的事物的整体头脑的那种。然则,范式的演变不仅发生在新头脑取代旧头脑之时,当新工具让我们可以去做或者看之前不能能会思量的事情/器械时,也会发生范式的演变。商业基因组测序的泛起,最近被拿来跟显微镜的发现相提并论(这种对照照样可信的),这不禁让我想知道,这种依旧相对艰涩但在天下局限内大肆杀进了装备完善的实验室的新手艺,会不会被证实是21世纪最主要的创新?根据Church的估量,“跟几年前相比,测序的价钱已经廉价了1000万倍,质量提高了100000倍。” 若是说一种新的手艺范式正在到来,并会带给我们一个不停监测身体和周围一切事物的遗传信息的未来的话,那么这些(利便快捷无处不在的)测序仪就是带我们进入谁人王国的机械

让人没想到的是,事实证实,Covid-19就是谁人催化剂。deSouza 说:“这场疫情把基因组学者流行症的接纳速率加速了好几年。”而且他信托这场疫情还加速了基因组学在更普遍的社会的接纳——这解释,在一片杂乱与全球灾难之中,廉价,快速的测序时代已经悄然来临。

在一片杂乱与全球灾难之中,廉价,快速的测序时代已经悄然来临

去年八月的一个早晨,在美国东岸的第一波疫情泛起消退之后,我去造访了位于曼哈顿下城的纽约基因组中央,去考察基因测序的历程。那一天,该实验室的手艺职员正在研究重新泽西州哈肯萨克大学医学中央的患者身上采集到的大量SARS-CoV-2样本。当我到达时,中央实验室司理Dina Manaa递给了我一件蓝色的实验室外衣。Manaa说:“我会带你走完整个历程。”在接下来的20分钟的时间里,我们一边在实验室内里走来走去,她则一边给我注释她们的事情。

对病毒举行测序异常费劲,整个历程跟通过面颊拭子或一滴血中对人类DNA举行测序很像。样本实在是沿着装配线流动的:在异常敏感的“秤”上“称重”,去丈量样本质量;然后浸入到叫做试剂的化学溶液了;再用“条形码”对遗传物质举行符号,从而可以划分跟踪每一个样本。Manaa注释说,大多数的准备事情都跟检测病毒样品质量,然后把其中的遗传物质放大有关,实在就是把从拭子提取的少量看不见的冠状病毒转化为大量的DNA,所有这些都是为了读取和剖析做的准备——她们有专门用于此目的的装备。

在另一个实验室内里, Manaa在5个一排完全一样的新机械眼前驻足了一会儿,这就是Illumina NovaSeq 6000(或者她们所谓的Nova—seeks”)。这跟六个月前中国首次对病毒举行测序使用的机械类似。NovaSeqs也许像办公的复印机那么大,除了有一块大的触摸屏,以及从装备后头伸到天花板的透风管以外,险些没有什么显著特征。每台机械的成本约为100万美元;现在全天下约莫有1000台。在实验室事情台边上,手艺职员Berrin Baysa正在将微量的含有病毒的透明溶液从一个试管转移到另一个试管,并把夹杂物移到一个小型旋转离心机上。经由近两天的准备之后,这批Hackensack样本终于走到了最后一步。Baysa把她制作的这些小鸡尾酒夹杂到一起,将它们倒入所谓的流通池内里,实在就是一个跟iPhone巨细差不多,含有4其中空室的平板玻璃盒。然后,她小心地把流通池塞进NovaSeq 6000的抽屉插槽内里。

往触摸屏输入了一些指令然后点击“最先”之后,她说:“好了,让我们为乐成祈祷吧。”她交织起自己的手指,祈祷起来。

她说,对于这项特殊义务,机械需要两天才气完成读取事情。这意味着届时病毒的完整基因序列将准备停当,可供“生物信息学家”寻找样本的模式和变异。

NovaSeqs代表着二十年左右手艺生长的巅峰。这项手艺在很洪水平上始于人类基因组设计(2003年完成,主要由NIH资助)。该项目解释,人类的基因组(也就是NIH所谓的“组成人类的完整基因蓝图”)由约30亿个“碱基对”组成。这些是键合化学物划分用A,C,G和T进编码,其中A代表腺嘌呤,C代表胞嘧啶,G代表鸟嘌呤,T代表胸腺嘧啶。这些碱基对会频仍在我们的染色体上举行组合,组成约30000个信息浓密的字符串,或簇。簇就是我们的基因。

人类基因组设计耗时13年,耗资跨越30亿美元。Jeffery Schloss多年来一直在NIH的分支机构美国国家人类基因组研究所(National Human Genome Research Institute)事情,认真对手艺拨款举行监视。他告诉我,2002年,他加入了一次集会,会上人人探讨了测序的未来。Schloss回忆说:“对人类基因组举行测序是一项伟大起劲,但我们知道这只是我们要做的事情的劈头,而这意味着测序必须做出猛烈改变。在那次集会上,有人提出了一个疯狂的想法:要是一千美元就能对一个大型基因组举行测序会怎样?这能够开启什么样的事态?”