解析美国*在科学奇迹中扮演的角色

通过一项独特的计划，美国*成功地降低了基因组测序的成本。

照片来源:自然

在硅谷，摩尔定律似乎与艾萨克·牛顿的自然定律地位相同。英特尔的创始人之一戈登·摩尔有一个经典的预测:每两年，计算机能力将翻倍，价格将下跌一半。在过去的50年里，预测确实实现了，只是略有偏差。

在过去几年的几十份报告中，科学家们将摩尔定律的下降与DNA测序成本的快速下降进行了比较。在过去，这两种趋势是一致的，但自2007年以来，这两种趋势已经大不相同了。仅在六年时间里，每个人类基因组测序的平均价格就从大约1000万美元骤降至几千美元。这完全超出了摩尔定律的预期。当人们容易获得的计算机改变了世界时，基因组技术的迅速发展也完全改变了生物科学的研究，并将引起医学领域的巨大变化。

在许多人的眼里，这一成功部分归功于美国人类基因组研究所(NHGRI)的资助计划，该计划被正式称为高级测序技术奖，更广为人知的是1，000美元和100，000美元基因组奖(以下简称为1，000美元项目)。该奖项始于2004年，为97个学术和工业科学家团队提供了资助，其中一些来自主要测序公司。

这个1000美元的项目鼓励技术人员之间的流动和合作，并帮助建立了几十家有竞争力的公司。“该领域的主要公司已经真正改变了基因测序的方式，这始于NHGRI的资助。”吉娜·科斯塔说，她为五家有影响力的测序公司工作，目前是加州圣地亚哥的基因组解码公司赛弗基因组公司的副总裁。

传奇之旅

这个1，000美元的项目将很快达到目标，并将在今年完成最后的资助。随着科技爱好者对未来挑战的期待，即将到来的里程碑提出了一个问题:这个约2.3亿美元的*项目是如何取得如此成功的，其成功模式是否可以应用于其他领域。偶然的时机和根深蒂固的行业的缺乏促成了这个项目的成功。但是NHGRI基因组学部门的负责人杰弗瑞·施洛斯(Jeffery Schloss)表示，这一成功也表明公私合作是可以实现的。“我们面临的挑战之一是理解*的真正角色，这样它就不会阻碍甚至支持私营部门的技术发展。”

从1990年到2001年，当第一份工作草案发布时，200多名科学家携手进行了一个30亿美元的项目，解释了大约30亿个碱基。这是一个巨大的成功，但也让人深思。该项目的支持者说，它将揭示“生命的指令”，但事实上，它还没有意识到如何将DNA编码转化为生物表征的问题。为了了解脱氧核糖核酸如何影响健康和疾病，有必要研究成千上万，甚至数百万或更多人的基因和生物联系。

主要技术是桑格测序法，这是一种缓慢且劳动密集型的测序过程。加利福尼亚州福斯特市的应用生物系统公司为有限的客户(主要是大型*资助的实验室)提供了大多数测序仪，而*却没有采取什么措施来鼓励它重塑其核心技术。然而，研究人员已经看到了一些进步，包括用计算机代替人工工作和设备的改进。在2002年由NHGRI组织的一次会议上，科学家们预测这种发展将在未来五年内把成本降低到1/100。但这还不够。

*项目

他们讨论了什么样的目标价格会使人类基因组测序变得普遍，以便医生可以用它来诊断，就像磁共振成像扫描一样。这似乎太雄心勃勃了。"相关的风险使得普通投资者不愿参与."埃里克·艾森施塔特是国防高级研究和规划局的一名退休官员，他说。

因此，Schloss和NHGRI开始资助新测序方法的基础研究和工业研究，以开发商业可用的技术。此外，该项目还为能够与应用生物系统公司竞争的测序公司提供支持。

其融资承诺最终帮助说服了私人投资者进入市场。太平洋生物科学公司的创始人兼首席技术官斯蒂芬·特纳(Stephen Turner)表示，他的公司在2005年从NHGRI获得了660万美元，以帮助其吸引后续风险资本基金。NHGRI的批准说服投资者为该公司提供更多资金，使其技术商业化。所谓的技术商业化是指实时观察DNA合成的技术的发展。

NHGRI的投资通常是几百万美元或更少，从实验室到市场的技术转移不能仅仅依靠这些资金来实现。然而，NHGRI可以资助该过程的某些部分，例如改进染料、激光或部件测试。

该项目已经在基于纳米孔和纳米间隙的技术上投资了8800万美元。解决基本问题，如如何让DNA足够缓慢地通过毛孔，一直是一个巨大的挑战。为了克服这一障碍，英国国家卫生研究院已经拨款930万美元给牛津纳米孔技术公司的合作伙伴，牛津纳米孔技术公司是一家指导市场理念的英国公司。特纳说，这种投资将有助于在该技术上市前降低测序成本。测序研究人员表示，这个1000美元的项目为许多公司和实验室提供了资金，增加了整个行业的相关经验。受益者之一Illumina目前是测序仪器的市场领导者——其技术可以读取许多短链DNA，并将被NHGRI资助的许多公司和科学家接管。"通过并购，Illumina变得越来越强大."该公司首席技术官Mostafa Ronaghi表示。

然而，施洛斯的项目也迫使竞争对手在年度进展会议上交流专业经验。“年会是人们密切关注测序技术发展的最重要场合之一。”特纳说，“有很多无私的分享信息。”

投资后

一些科学家对项目的选择提出了质疑。“已经在纳米孔上投入了大量资金，但纳米孔技术的目标并不准确。”科斯塔举了一个例子。

与科斯塔共同开发测序技术SOLiD的凯文·麦克南(Kevin McKernan)指出，许多由1000美元项目资助的公司最终都失败了。"它的命中率并不比风险投资家高多少."

然而，其他公司向施洛斯和该项目保证，他们已将其资金分散到一系列学术和工业工作中，并有足够的分散以确保一些技术进步。许多由NHGRI资助的公司不复存在，包括454家公司和Helicos Bioscience公司。然而，其他受资助的公司已经在他们的领域取得了发展，并且经常使用那些已经破产的公司所获得的技术信息。

" NHGRI资助了小公司和学术团体，并创建了一个技术链."罗纳奇说，“他们还没有决定用什么技术来把他们所有的鸡蛋放在一个篮子里。”

Schloss和NHGRI面临的一个重要问题是了解对于这个1，000美元的项目做出了什么样的正确决策。基因测序需要改进，尤其是在质量方面。桑格测序成本很高，但其准确性仍然是这项技术的基准。此外，测序成本下降的速度不如前几年快。然而，研究人员对另一项挑战Illumina的技术持乐观态度。大多数人认为这个领域的关键问题将不再是技术。尽管目前的测序成本低到足以检测每个患者的基因，但如何将这些信息转化为改善医疗保健仍不清楚。这些更复杂的问题需要基因组科学的又一次飞跃。(张冬冬)

《中国科学日报》(第三版国际版，2014年3月24日)

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