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人類基因組計(jì)劃何時能達(dá)終點(diǎn),?基因測序的硬件往事
1986年,一位名叫杜爾貝科的美國生物學(xué)家震驚了醫(yī)學(xué)界,。他發(fā)表了一篇名叫《癌癥研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)——人類基因組的全序列分析》文章,,提出了從基因角度研究癌癥,攻克癌癥的新思路,。在20世紀(jì)前后,,好奇的人類已經(jīng)在探索未知的路上開展了兩大科學(xué)工程,其中一個叫做“曼哈頓原zi彈計(jì)劃”,,另一個則是大家熟知的“阿波羅登月計(jì)劃”,。
在杜爾貝科發(fā)表的這篇論文過去4年的時間,美國國立衛(wèi)生研究院和能源部宣布了第三項(xiàng)人類科學(xué)工程:“人類基因組計(jì)劃”,。
這個計(jì)劃將測定組成人類染色體所包含的核苷酸序列,,從而繪制人類基因組圖譜,后達(dá)到破譯人類遺傳信息的終目的,。
跟原zi彈和登月計(jì)劃不同的是,,人類基因組計(jì)劃是一項(xiàng)跨國跨學(xué)科的科學(xué)探索工程,因?yàn)槿祟惙N族多樣,,遍布,,只靠美國一己之力無法完成。英,、日,、法、德等國家先后加入,。
在美國,,一名叫福萊特利(Jay Flatly)的年輕人成為了“人類基因組計(jì)劃”的一員。8年之后,,他被一家剛剛?cè)谫Y不久的基因公司招入麾下,。
時至今日,這家公司已經(jīng)是*大的基因測序儀制造公司,。公司的名字叫Illumina,,而這家公司的董事會執(zhí)行主席正是福萊特利。
同樣是在90年代,,有一位比福萊特利小一歲的中國研究員在“人類基因組計(jì)劃”中跳了出來,,他跟幾位中國科學(xué)家一起,代表中國承擔(dān)了人類基因組計(jì)劃的1%工作,,即人類3號染色體短臂一側(cè)約30cM區(qū)域的測序與分析任務(wù)。
中國也成為“人類基因組計(jì)劃”的第六個,、也是后一個參與國,,是wei一的發(fā)展中國家。
這位研究員叫做汪建,,幾乎跟Illumina同一時間,,汪建等人在1999年成立了中國di 家基因公司——華大基因(下稱華大集團(tuán))。
2016年4月,,華大下屬測序設(shè)備業(yè)務(wù)板塊——深圳華大智造成立,,后者也在今天成為了測序儀領(lǐng)域的明星公司。
在 “人類基因組計(jì)劃”完成后的20年后,,華大和Illumina都站上了基因領(lǐng)域的技術(shù)和商業(yè)之巔,。一家在中國被認(rèn)為“基因界的騰訊”,另外一家則是長期以來基因領(lǐng)域的霸主。
但福萊特利和汪建可能都不曾想到,,曾經(jīng)聯(lián)手為揭示生命奧妙做出貢獻(xiàn)的兩位科學(xué)家,,會在若干年后短兵相接。
2019年的三個月時間里,,這兩家公司已經(jīng)在戰(zhàn)上有了超過5次的交鋒,。4月至6月,Illumina先是在德國,、丹麥等地對華大智造發(fā)起訴訟,。5月,華大智造則在美國qi訴Illumina侵權(quán),。
在更早之前,,兩家公司已經(jīng)在基因測序儀領(lǐng)域進(jìn)行著激烈的“賽馬”。2018年10月,,華大智造發(fā)布了自主研發(fā)的超高通量基因測序儀——“DNBSEQ-T7”(發(fā)布時產(chǎn)品名MGISEQ-T7),。
這臺堪稱“超級生命計(jì)算機(jī)”日產(chǎn)出數(shù)據(jù)達(dá)6Tb,算得上是目前日生產(chǎn)能力zui強(qiáng)的基因測序儀,。
另一方面,,2018年年末,Illumina斥資12億美元收購PacBio,,除此之外,,Illumina公司MiSeq™Dx基因測序儀獲得國家藥品監(jiān)督管理局的批準(zhǔn)上市,。
這是基因測序設(shè)備領(lǐng)域di一次如此密集、針對性的兩家公司的技術(shù)交鋒,。基因測序儀領(lǐng)域的冠亞軍,,正在掀起了一場有史以來兇猛的技術(shù)之戰(zhàn)。
測序儀的十五年往事
“登上月球和治療癌癥,,你覺得哪個更容易實(shí)現(xiàn)?”上世紀(jì)美國媒體的一次民調(diào)中,,被問到這個問題的多數(shù)人都會回答,癌癥可能治療,,登上月球是不可能的,。
然而時至今日,,阿波羅號飛船已經(jīng)登月50年,人類依舊奮斗在治療癌癥的征途中,。
今天,,生物醫(yī)學(xué)界對癌癥的其中一個主要共識是:癌癥是一類基yin病,幾乎所有癌癥都是由于基因的變化(突變)引起的,??梢哉f,人類攻克癌癥的di一步就是破譯基因序列,。
但在本世紀(jì)初,,di一個個人全基因組測序耗費(fèi)13年,花費(fèi)30億美元才得以繪制完成,,這也基因科技難以快速突破和普及的主要原因,。
成本、速度,、質(zhì)量是基因測序領(lǐng)域的三大要義,。做好以上三點(diǎn),才可能獲取足夠多的基因數(shù)據(jù)量,,以構(gòu)建龐大的數(shù)據(jù)庫,進(jìn)一步探究某個基因的變異所代表的確切含義,。
換句話說,癌癥的秘密,,人體生老病死的秘密,萬物生長的秘密都受控于生命的遺傳密碼——基因組,,但要更高質(zhì)量,、更快速和更低成本獲取這些數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對生命的認(rèn)知和掌控,,需要的核心工具就是基因測序儀。
有位醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究人士表示,,只有測序儀不斷迭代推動測序成本下降,,整個基因科技產(chǎn)業(yè)才可能走進(jìn)公眾醫(yī)療領(lǐng)域,,進(jìn)而擁有商業(yè)前景,。
一位基因領(lǐng)域的研發(fā)人士對記者說:因?yàn)闇y序儀制造需要整合光,、機(jī),、電,、液,、生化,、芯片,、算法等諸多前沿學(xué)科能力,,并且需要經(jīng)過長期磨合,。因此,,基因測序儀技術(shù)壁壘*。
在“人類基因組計(jì)劃”開始之后的15年里,,涌現(xiàn)了大量投身測序儀制造的公司,在技術(shù)和商業(yè)的更迭中,,這些公司也不斷經(jīng)歷起伏,、消失,、競合。
初的市場者是美國應(yīng)用生物系統(tǒng)公司(ABI),,這家公司在上世紀(jì)80年代中期設(shè)計(jì)了di一臺自動化平板熒光測序儀,,幫助生命科學(xué)研究進(jìn)入了自動測序的時代。但不久之后,,它的地位就被撼動了,。
測序儀的另一個浪潮出現(xiàn)在2005年,,幾家推動行業(yè)格局嬗變并影響至今的公司開始嶄露頭角,。
這一年,di一臺高通量基因測序儀由454公司推出,,這是di一個基于焦磷酸測序原理的高通量基因組測序系統(tǒng),。隨后,羅氏公司以1.55億美元收購了454公司,,并在2006年推出了更新的GS FLX測序系統(tǒng),。
同是在2005年,,出現(xiàn)一家叫做Complete Genomics的公司(簡稱CG),具備自主研發(fā)測序儀的能力,,且有測序儀產(chǎn)品。在日后,,這家公司對于中國測序儀的發(fā)展有著極為重要的意義,。
第二年,Solexa公司也推出了自己的測序儀系統(tǒng)——Genome Analyzer,,簡稱GA。2007年,,Illumina公司以6億美元的高價收購了Solexa,使GA得以商品化,,自此進(jìn)入快速發(fā)展階段,。
2008年,ABI與Invitrogen合并,,成立了Life Technologies,。并在兩年后推出了Ion PGM桌面型測序,,而在2013年,,這家公司就被Thermo Fisher所收購。
在諸多西方公司的努力下,,基因測序的成本也開始不斷下降,。通過測序設(shè)備和技術(shù)的迭代,顯著降低測序成本并進(jìn)而贏得市場優(yōu)勢,,也成為基因測序領(lǐng)域諸多競合,、并購的背后邏輯。
一個數(shù)字是,,2010年,,全基因組測序的成本已經(jīng)從億元的成本開始下降到了5000美元。2011年,,進(jìn)一步降至4000美元,。
對于此時遠(yuǎn)在中國的華大基因來說,,在過去很長一段時間,其技術(shù)積累都在基因組學(xué)研究與基因測序技術(shù)應(yīng)用,,而不是上游測序儀。
令華大更加聲名鵲是在3年后,。在非典肆虐,,用30個小時就測出了SARS病毒序列,用96個小時做出了SARS檢測試劑酶聯(lián)免疫試劑盒,。
2007年,,華大從中科院體系分離,南下落戶深圳,。同在這一年,,美國公司Illumina基于邊合成邊測序方法的高通量測序儀開始投入市場,基因科技迅速迭代突破,,科技競爭越來越激烈,。
做上游硬件還是中下游應(yīng)用?選擇測序儀還是測序服務(wù),?5年光景,,于基因領(lǐng)域奮戰(zhàn)的公司們在當(dāng)時已經(jīng)開始抉擇了。
測序儀戰(zhàn)爭的前夜
時間來到2010年,。
經(jīng)過了超十年的發(fā)展,,華大已經(jīng)形成了較為成熟的業(yè)務(wù),公司主要的領(lǐng)域集中在產(chǎn)業(yè)的中下游,,即測序業(yè)務(wù),。但在上游測序設(shè)備則幾乎處于空白地帶。
缺乏測序儀的華大在當(dāng)時面臨著艱難的境遇,?;驕y序服務(wù)業(yè)務(wù)正在大幅上升,受制于測序平臺能力有限,,華大不得不需要購入大量的測序儀,,重新“武裝”測序平臺。
當(dāng)時的測序儀制造公司之一就是Illumina,。Illumina的儀器性能,,新型測序儀既保留了邊合成邊測序的模式,也增加了光學(xué)和系統(tǒng)設(shè)計(jì),,這讓華大創(chuàng)始人汪建頗為心動,。
終,為了購買Illumina的儀器,,華大和汪建走了一步震動行業(yè)的“險(xiǎn)棋”,。當(dāng)時,華大資金有限,,便向中國國家開發(fā)銀行申請了15億美元的信貸,,而其中花費(fèi)了1億美元購買128臺Illumina生產(chǎn)的HiSeq2000測序儀,每臺的市場價為69萬美元左右,相當(dāng)于一臺豪華跑車的價格,。
頂著外界的質(zhì)疑,,華大斥巨資購入了Illumina的儀器。當(dāng)時對于這個舉動的質(zhì)疑之一是,,測序技術(shù)更迭迅速,,儀器價格會下降很快,是否有必要購買這么多臺,、如此昂貴的測序儀;質(zhì)疑之二,,是否真的有這么大的市場,,來支撐這128臺測序儀的運(yùn)轉(zhuǎn)。
但終從結(jié)果來看,,華大賭對了,。
在買入設(shè)備之后,其中的88臺儀器部署在華大香港中心,,20臺放在深圳總部,,其他放在各地實(shí)驗(yàn)室,為客戶提供服務(wù),。
2010年,,華大的營收突破十億。2009年,,這一數(shù)字還只是3.43億元,。利用這128臺測序儀,華大一躍成為zui大的基因組學(xué)研究機(jī)構(gòu),。
這項(xiàng)合作也讓Illumina收獲頗豐,。一個數(shù)據(jù)是,華大的訂單是Illumina迄今為止大的單筆交易,,占據(jù)了Illumina2010年全部產(chǎn)量的70%,。
這也許是華大跟Illumina的wei一而又短暫的蜜月期,好景不長,,隨后的兩年,,華大跟Illumina的關(guān)系開始急轉(zhuǎn)直下。
一位華大的管理層對記者說,,原本Illumina 出售給華大的儀器價格就比北美市場的售價高出一倍,,但后續(xù)出售給華大的試劑,仍不斷提價,,每年的漲幅約為4%,,而且到貨時間不定,損壞的儀器也未及時地維修,嚴(yán)重影響華大與下游機(jī)構(gòu)的合作和科研進(jìn)展,。
除此之外,,在華大準(zhǔn)備按國家規(guī)定,基于購買的Illumina設(shè)備向國家監(jiān)管部門申請基因測序設(shè)備注冊審批時,,遭到了Illumina的消極對待,。
有基因行業(yè)的資深人士對記者分析,Illumina這樣做的主要原因在于,,華大已經(jīng)在中下游測序服務(wù)領(lǐng)域占據(jù)了較大的份額,,Illumina作為上游企業(yè),希望通過設(shè)備和技術(shù)壁壘,,“壟斷“整個產(chǎn)業(yè)鏈條的話語權(quán),,而消極對待這位大客戶,核心是為了遏制華大的快速發(fā)展,。
2011年至2012年,,因上游設(shè)備受限,華大的測序服務(wù)業(yè)務(wù)遭遇了的阻力,。遭遇到“卡脖子”的切膚之痛,,被按下“暫停鍵”的中國基因測序儀開發(fā)被再次啟動。
國產(chǎn)測序儀曙光初現(xiàn)
在芯片領(lǐng)域,,上游受限的“卡脖子”情況司空見慣,。比如近期發(fā)生的日本停止給韓國供應(yīng)原材料,也讓韓國公司頗為被動,。
基因領(lǐng)域同樣如此,。汪建等人清清楚楚地看到了技術(shù)壁壘所帶來的威脅,但同時存在的矛盾在于,,解決這個問題的路徑艱難且狹窄:要么從零開始做研發(fā),,要么與擁有技術(shù)產(chǎn)權(quán)的上游制造商展開合作。
通過自主研發(fā)儀器是華大首先考慮的方式,。但因?yàn)闇y序儀制造屬于資金密集和技術(shù)密集領(lǐng)域,,需要長時間的技術(shù)積累,自主開發(fā)難度太大,。
因此退而求其次,,收購成為wei一可行且現(xiàn)實(shí)突破路徑。但收購的標(biāo)的在何處呢,?
在當(dāng)時,,除了Illumina,測序儀產(chǎn)業(yè)鏈上的公司并不多,,Complete Genomics,、Thermo fisher,、羅氏等算得上是測序儀領(lǐng)域的企業(yè)。
不久后,,機(jī)會來了,。
在資金短缺的情況下,CG于當(dāng)年6月宣布尋求戰(zhàn)略合作和并購買家,。在華大之外,,Illumina等廠商均表達(dá)了收購意愿。
“CG與華大的目標(biāo)相近,,優(yōu)勢互補(bǔ),。華大能獲得測序儀技術(shù),比如聯(lián)合探針錨定聚合的關(guān)鍵性技術(shù),,還能擺脫 Illumina 對其發(fā)展的束縛,,獲得主動權(quán),降低測序成本”,,一名基因行業(yè)高層人士對界面新聞記者表示。
曙光初現(xiàn),,但即便是你情我愿的收購,,中國基因測序儀的“萌芽”也需要沖破重重“鐵閘”。
0.05美元之差的驚魂收購
“華大并沒有100%的成功把握,。”一名參與當(dāng)時交易的人士對記者說,。
中國民營機(jī)構(gòu)收購海外納斯達(dá)克上市公司,并沒有成功先例可循,。此前華為,、中興以及中海油在美國的收購計(jì)劃都因?yàn)楦鞣N阻撓而終失敗。
就在華大宣布收購CG之前,,三一重工在美國投資風(fēng)電站的計(jì)劃剛被拒絕,。這也為收購CG增添了新的壓力。此次收購風(fēng)險(xiǎn)高,,不確定性大,,競爭者強(qiáng)大。
其中,,競爭者Illumina便是大的不確定性之一,。同為具有測序設(shè)備生產(chǎn)能力的企業(yè),Illumina是CG的競爭者,, Illumina以其強(qiáng)大的*成為基因產(chǎn)業(yè)上游的*,。兩家測序儀生產(chǎn)商都有自己*的核心技術(shù),如果Illumina擁有CG,,或許會為了鞏固自己的技術(shù)地位而讓CG的技術(shù)在市場上消失,。
在并購前夕,Illumina開始向CG提qi訴訟,告它侵犯自己的權(quán),。這一“策略”一時讓華大進(jìn)退兩難——如果這一侵權(quán)成立,,華大看重的組合探針錨點(diǎn)結(jié)扎讀取的關(guān)鍵性技術(shù),將不再為CG所有,,收購將變得毫無意義,。
2012年,華大收到了一家Complete Genomics(以下簡稱CG)的公司的收購邀請函,。這是一家位于硅谷的公司,,地處美國加州山景城。
雖然Illumina已經(jīng)是明星公司,,但CG在技術(shù)實(shí)力方面,,也頗為硬核。CG成立于2005年,,具備自主研發(fā)測序儀的能力,,且有測序儀產(chǎn)品,但它只提供測序服務(wù),,不售賣測序儀,。在它的創(chuàng)始人看來,這能降低科研工作者在設(shè)備上的經(jīng)費(fèi)和時間投入,,把更多的時間用在研究本身,。
《科學(xué)》雜志曾于2009年刊登了CG、哈佛醫(yī)學(xué)院和華盛頓大學(xué)的研究人員的科研成果,,他們完整地測序和分析了三個人的全基因組序列,,在保證精度的同時,成功地將個人基因組測序的成本降至 1726 美元,。
其中的奧秘便是CG*的聯(lián)合探針錨定聚合等關(guān)鍵性技術(shù),,一次測序每臺機(jī)器能獲得1000Gb的數(shù)據(jù)。
雖然技術(shù)*,,但CG的商業(yè)運(yùn)營并不是太順暢,,作為納斯達(dá)克上市公司,CG在產(chǎn)品商業(yè)化上面臨來自投資人與產(chǎn)業(yè)環(huán)境的雙重壓力,。
同時,,CG隨時面臨破產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn),一旦CG在收購尚未完成前宣布破產(chǎn)而被拍賣,,華大便再無收購的可能,。面對這一風(fēng)險(xiǎn),幾方人員都在等待靴子的落地,。
競拍要求參與者對每股價格進(jìn)行報(bào)價,,價高者得,。“這意味著如果報(bào)價比對手高出很多,雖然能讓對手出局,,但也會提高收購成本,。而如果報(bào)價比對手低,出局的便是自己,。”上述人士說,。
華大的財(cái)務(wù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過估算給出了每股3美元的建議價格,而此次收購的財(cái)務(wù)顧問花旗則給出了每股3.7美元的報(bào)價,。
上述參與過交易的人士回憶,,華大終給出了3.15美元的報(bào)價,奇妙的是,,這一報(bào)價終以0.05美元的優(yōu)勢擊敗Illumina,。華大與CG達(dá)成每股3.15美元的收購協(xié)議。
2013年3月18日,,華大以1.17億美元的價格完成對CG的收購,。這一全額收購方式既保留了CG的完整性,也讓華大獲得CG的技術(shù),,并迅速完成技術(shù),、產(chǎn)業(yè)升級,得以在測序服務(wù)之外,,在上游測序設(shè)備領(lǐng)域突破布局。
僅僅有了CG公司的和早期技術(shù),,并不意味著就能直接轉(zhuǎn)化出量產(chǎn)且成功的國產(chǎn)基因測序儀,,不然該公司也不會選擇出售的道路。
當(dāng)時的項(xiàng)目組成員,,拿到CG公司的基因測序儀原型時曾感到*莫展:設(shè)備整體設(shè)計(jì)精密,、追求硬件系統(tǒng)的,但也造就了重達(dá)兩噸的個頭和數(shù)千萬元的售價,,從定位上和產(chǎn)品形態(tài)上,,像極了“超算”。
在華大工程師看來,,追求極限的原有設(shè)計(jì),,在早期測序儀集中在少數(shù)玩家的情況下比較適合,但是在測序儀逐漸普及到許多企業(yè)客戶,、高校和臨床醫(yī)院的時候,,更需要性價比高、更靈活而同樣的“臺式機(jī)”,、甚至“筆記本”,。
這也終成為中國基因測序儀潛心突破的“路線圖”,。
在收購了CG三年之后,2016年4月,,深圳華大智造科技有限公司成立,,這是華大集團(tuán)為了上游測序儀產(chǎn)業(yè)而獨(dú)立設(shè)置的業(yè)務(wù)板塊。
《財(cái)新》的報(bào)道指出,,華大與Illumina的爭議上,,華大的測序信號放大技術(shù)正是來自于美國CG公司創(chuàng)始人Radoje Drmanac。
這幾年來,,華大智造發(fā)展迅猛,,根據(jù)其*提供的數(shù)據(jù),成立三年來收入復(fù)合增長率超過200%,,中國*超過三分之一,。
截至2019年9月,華大智造測序儀裝機(jī)量突破1200臺,,用戶超300家,,遍布24個國家及地區(qū)?;谌A大智造測序平臺累計(jì)產(chǎn)出數(shù)據(jù)超28Pb,,發(fā)表高水平論文超500篇。
使用國產(chǎn)測序儀替代進(jìn)口測序儀也開始了,,數(shù)據(jù)顯示,,2014年-2016年,華大從Illumina的采購金額分別為1.96億元,、1.99億元和1.38億元,,在當(dāng)年的采購額中分別占比40.46%,44.27%和25.93%,,而在2017年,,華大對Illumina的采購額同比下降30.65%。與此對應(yīng)的媒體報(bào)道是,,華大表示在2017年公司內(nèi)部已“*實(shí)現(xiàn)自主替代”,。
目前,只有兩個國家,、三個公司可以量產(chǎn)臨床級別的高通量基因測序儀,,分別是Illumina、華大智造,、Thermo Fisher,。
國產(chǎn)基因測序儀,就是在這樣一個寡頭之爭的環(huán)境中,,破局伊始,,就開啟了技術(shù)與的大戰(zhàn),。
征途剛剛開始
“*先生,你能攻克癌癥,。”
1969 年,,拉斯克醫(yī)學(xué)獎創(chuàng)建人瑪麗·拉斯克(Mary Lasker)花了2.2萬美元登了這個廣告,巨大的標(biāo)題幾乎占了《紐約時報(bào)》的整個版面,。
標(biāo)題下方還寫有一句話,,“我們就快找到解藥了,只缺把人送上月球的那種決心,、資金和全盤計(jì)劃”,,這句話來自被*為癌癥研究教父的波士頓醫(yī)生悉尼·法伯(Sidney Farber)。
在人類基因組計(jì)劃中,,美國每年準(zhǔn)備斥資2億美元投入這個項(xiàng)目,,預(yù)計(jì)15年完成。
1984年12月,,在美國猶他州阿爾塔(Alta)的一個小會議室里,,美國能源部召集起來的一眾遺傳學(xué)ding尖科學(xué)家們正討論如何探索美國在日本廣島投下di一顆原zi彈后,居住在下風(fēng)口的人口中基因突變的發(fā)生情況,。但眾人經(jīng)過長久的討論,,也并未得出任何可行的方法。
幾十年的基因探索,,決心有了,,資金到位,計(jì)劃周全,,但人類的基因仍舊沒有獲得的解答,。
“人類對于自己的了解可能還只是區(qū)區(qū)1%。”一名基因行業(yè)人士對記者說,。
基因領(lǐng)域的人都明白,目前整個行業(yè)需要做的,,還是要想方設(shè)法讓測序數(shù)據(jù)通量不斷增大,,價格再不斷下降,這是基因科技終能走向大眾wei一,、核心,,且必要的條件。
測序成本的新一輪競爭已經(jīng)再次開始,,這一次的“主角”換成中國基因測序儀,。前文提到已正式交付的國產(chǎn)超高通量測序儀DNBSEQ-T7,已將每Gb的測序成本降低至約5美元,,這也是目前zui低的測序成本,。
技術(shù)層出不窮,,測序時長不斷壓縮、成本逐年下降,。這個行業(yè)從不乏新玩家,,因循不同的技術(shù)路線, Oxford Nanopore等公司正成為市場的追趕者,,一如當(dāng)年的Illumina和華大,。
在2018年天津達(dá)沃斯上,福萊特利與汪建見面了,,他們在一場論壇上成為了嘉賓,,和諧而自由地表達(dá)各自的見解,就像一對老朋友一樣在場上談笑風(fēng)生,。
他們倆的心理應(yīng)該都明白,,五十年基因探索,其實(shí)征途才剛剛開始,。