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DNA测序设备市场加热

用于映射基因的技术更快地提高了摩尔定律。新选项范围从先进的半导体和新材料到纳米孔。

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略了十年前,国际财团通过测序人类基因组来达到一个主要的里程碑。使用称为DNA测序仪的实验室系统,人类基因组项目(HGP)确定了近3亿碱基对构成人类基因组的阶数。反过来,这应该铺平了预防,治疗和治愈疾病的方法。

然后,在2014年初,Illumina袭击了另一个里程碑,当时Biotech公司声称它以1,000美元的成本排列了人类大小的基因组。这比十年前约1000万美元的成本相比。

DNA是一种携带生物中的遗传指示的分子。一组完整的DNA被称为基因组。DNA测序是一种确定DNA碱基顺序的技术,反过来对遗传学,基因突变和疗法的研究是重要的。

无论如何,Illumina的索赔有点难题,因为实际成本约为人类基因组约4,000美元以上。事实上,DNA测序领域仍然存在多种挑战。其中一个是为群众带来遗传分析的实惠的DNA测序。仍然,Illumina的DNA测序技术,通过合成(SBS)配音测序,已占据市场,并比预期更远。

但是寻求在剩余的竞技场中查找illumina,几家公司已经基于各种和竞争技术开发下一代DNA序列仪。该技术竞争者包括DNA纳米醛,纳米孔,单分子和基于半导体的装置。在实验室中,研究人员还在使用基于碳纳米管,石墨烯,微流体等DNA测序仪上。

目标是将每种基因组更接近近期近1,000美元的目标,但该行业现在正在谈论未来100美元的基因组。因此,在下一代DNA测序竞赛中,最终技术获奖者和输家将由成本,功能,可制造性和可扩展性确定。

“一些(DNA测序)技术今天正在工作。其中一些不起作用。在这种情况下,人们还没有想出如何设计设备,更少建立它。您可以建立一个实验。但是,弄清楚了如何有效地制作具有足够高质量的阵列,该阵列可以在设备中使用足够的高质量功能是非常具有挑战性的,“国家人类基因组研究所(NHGRI)基因组科学划分公司杰弗德·施洛斯表示。NHGRI - 在美国的国家卫生研究院(NIH)中的27个研究所之一 - 参与了几个项目,包括1,000美元的基因组测序技术发展计划。

希望和挑战
DNA测序用于农业,取证和药物。根据分析师数,DNA测序市场是2000亿美元的业务,每年增长25%至30%。Illumina占DNA测序市场的80%,随后是Evercore Isi的分析师Ross Muken的说法Thermo Fisher Scientific。完整的基因组学,Nabsys,牛津纳米孔,太平洋生物系统和Roche也竞争市场。

在原始HGP中,使用基于Sanger的化学品和毛细管仪器进行DNA(脱氧核糖核酸)测序。HGP和其他研究表明,人类基因组被组织成23对染色体。染色体分为30,000个较小的区域,称为基因。每个基因由一系列核苷酸碱基组成,被称为A,C,G和T.总,人体DNA具有30亿碱基。根据Illumina的说法,这些碱基的确切顺序称为DNA序列。

基于SAGER的化学品仍然用于某些应用,但这种技术过于昂贵,并且已经被更新的技术流离失所。通常,DNA测序至少在实验室中启用了新的突破。“DNA测序的目标(DNA测序)是解锁具有遗传特征的复杂疾病,”Muken说。“肿瘤学将是一个很好的例子。希望随着时间的推移,这个想法是制定治疗患者的疗法,使我们可以更具预防性,并具有更好的临床结果。我们正在接近一些临床发现。我们开始在制药方面获得一些重大突破和采用。“

Nhgri的Schloss说,其中一个大挑战是达到真正的1000美元每种基因组目标,这可能发生在未来两到三年内。1,000美元的目标是充分原因的重要意义。在这种成本,保险公司可以使用DNA测序开始报销患者进行遗传分析。

还有其他挑战。在DNA测序中,系统产生数百万的单个DNA碱基。计算机必须组装并将数据映射到参考基因组。但参考基因组存在差距。和重复的短读取有时被排除在排序之外,导致数据不完整。

在主流应用中,还有一些障碍。例如,许多医生正在提供,或者可以为患者一天使用,临床基因组或exame测序(梯度)。仰卧是一个伸缩的,且较便宜的全基因组测序版本。“(CIGES)测序基因组的展开或蛋白质编码区,以及蛋白质编码区附近的DNA。这是约5%的基因组。“你可以这样做,每人每人500美元到600美元,”Schloss说。“对于那些工作的患者,它是非常有用的。但它只适用于约25%的患者。我们确切地知道为什么它不适用于其他患者。一个明显的猜测是问题不在该基因组的5%内。 It resides somewhere else in the genome.”

另一方面,根据NHGRI的说法,CAGE在一系列疾病中鉴定了一系列疾病,包括Charcot-Marie-Doother疾病,智能抑制,代谢障碍,癫痫病变,心肌病,癌症和肌萎缩的外壳病变(ALS)。。

通缉:新的突破
今天的下一代DNA测序仪范围从靶向DNA的台式机组工作,到高端系统,用于大规模,全基因组测序。利用高端系统,Illumina表示,它破裂了1000美元的屏障。基于光学方法,Illumina的SBS技术使用荧光标记的核苷酸在流动细胞表面上并联地序列数百万簇。“有巨大的数据质量问题。现在,使用SBS获得更好的数据质量,“Nhgri的Schloss说。“(Illumina)在继续规模技术的情况下做了一个惊人的工作。在某些时候,似乎应该停止缩放。但它尚未停止。“

根据一个竞争对手,Illumina的解决方案仍然很昂贵。“您必须购买1000万美元的设备,并在多年上运行成千上万的样本,以获得1000美元,”Thermo Fisher Scientific遗传分析产品管理负责人Andy Felton表示。

同时,与相关技术,太平洋生物科学也达到了一个里程碑。通常,用于测序的平均读取长度为100至200个碱基。太平洋生物科学推出了一种新化学,使平均读取长度能够从10,000到15,000个基础,最长的读数超过40,000个基础。

Pacific Biosciences的DNA序列符基于单分子,实时(SMRT)技术。DNA测序在微小的SMRT细胞上进行。每个电池用150,000零模式波导图案化。“它们是在生产这些长读数的最远的状态,”Schloss说,“(但是)序列的人类基因组约为50,000美元。这是超过4,000美元的方式。尽管如此,人们正在使用该信息来构建更好的参考基因。“

其他是基于半导体技术开发DNA序列仪。DNA测序芯片是一次性的CMOS的基于CMOS的设备,基于后缘几何形状。在该领域,公司借用IC行业中使用的许多相同的技术。OEM使用基于CMOS的FAB流程,使它们能够缩放其设备。

基于半导体的DNA测序仪具有一些挑战。例如,在实验室中,Illumina正在开发DNA芯片。“最大的挑战是界面,”Illumina高级副总裁兼首席技术官Mostafa Ronaghi说。“你基本上与湿科学结婚干燥科学。其他挑战是模型数据。“

其他人有不同的观点。“目标是做得更快,更便宜,”Thermo Fisher Scientific的Felton说。“我们技术的承诺,基于半导体,是在一次运行中进行1,000美元(Genome)。我们不是那么遥远。“

2011年,Life Technologies,Thermo Fisher Scientific的一部分推出了它的第一个DNA测序芯片,称为离子洪流。基于CMOS的设备的顶部具有数百万微小的微孔,每个微孔类似于垂直沟槽。在流动中,使用光刻图案化微孔。然后,沉积在基板上的二氧化硅和氮化硅层的介电膜堆叠。蚀刻器用于创建井。

在每个微孔中,存在嵌入DNA的球状结构。在下面,该设备由一层基于晶体管的PHFET传感器组成。然后,装置的底部由硅衬底组成。

基本上,核苷酸流入微孔。“我们在释放氢离子的每个孔中发起化学反应。并且这改变了那井中解决方案的pH值。然后,我们正在拿起该信号,“Felton说。“这是世界上最小的pH值,其中一个半导体器件的一部分井上的孔。”

第一芯片的第一款高达1100万孔。每个孔的特征尺寸为3微米。相比之下,电流芯片具有1.65亿孔,具有1.5微米的特征尺寸。它还包括模数转换器,与2.5-GBS的24个高速链路并行运行。

现在,该公司正在研究一个新的芯片,称为P2。0.5微米的装置,包含66.6亿孔,的功耗从1到2瓦。“这是一个具有挑战性的项目,建立一个拥有6.6亿个井的芯片并在合理的温度下获得芯片中的数据速率,”Felton说。“芯片内部也有生物学。因此,我们无法在非常高的电压下运行芯片并产生大量的热量。它只杀死生物化学。“

还有其他技术选择。牛津纳米孔正在基于纳米孔技术开发DNA序列仪。“这些是直径2nm的毛孔或孔,”Nhgri的Schloss说。“对此,没有聚合酶分子。它实际上只是通过毛孔的DNA的电子读数。“

该行业的下一个目标是100美元基因组。如果该行业可以达到其崇高的目标并彻底改变医疗保健,它仍有待观察。但趋势正朝着正确的方向发展。“如果您查看序列仪的越来越多的输出,该技术在过去的20年里一直在淘汰Moore的法律,”Thermo Fisher Scientific的Felton表示。“如果将来会留下这一节奏,我们可以争辩。”



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