Peter

誰也沒想到，2020年的新年，會以一種沉重的方式開啟。

疫情暴發(fā)期間，牛津Nanopore公司向中國捐贈了200臺測序設備Minion，幫助盡快地確診新冠肺炎患者。它的原理是通過檢測病人血液中的細菌、病毒和寄生蟲的全基因組序列，與已知的生物體數據庫進行對比，從而達到確診的目的。

新冠病毒的狡猾之處，正是因為起初它對人類而言是未知的。要打敗你，首先要知道你是誰。在最短時間內破解病毒的基因序列，正是判斷新冠肺炎傳染力和危害性的基礎。今年1月上旬，中國科學家團隊就公布了新冠病毒全基因組序列。

基因測序，不僅對遏制疫情蔓延十分重要，而且關乎每個人的生老病死——小到確定感冒的病毒類型，大到自己是否屬于某種癌癥的高危人群。這樣一項重要的科技，你不了解一下嗎？

1953年沃森和克里克揭開了DNA雙螺旋結構之后，人類便致力于破解DNA序列的奧秘。

首先，考考你：DNA由幾個堿基組成？

沒錯，DNA由4個不同的堿基隨機組合而成。由于它們的中文名字并不好記，我們用其英文名字的首字母A、T、C、G來指代它們。我們每個人身上大概有32.3億個堿基。雖然它們是隨機排隊的，但也有一個規(guī)則：必須兩兩綁定出現，即A與T組合，C與G組合。

面對這樣浩大的堿基隊伍，第一個理出頭緒的是劍橋大學的弗雷德里克·桑格。1976年，桑格發(fā)明了DNA測序法，它的原理是這樣的——

DNA在合成過程中，雙鏈的結構會打開，成為兩條單鏈。大家可以想象成自行車鏈條，一邊的鏈條被卡住，另一邊可以繼續(xù)加組合。加組合的那條單鏈中，新的A堿基只能與原鏈的T組合，C只能與G組合。每增加一個堿基，桑格就巧妙地終止反應，阻止其繼續(xù)合成，將反應的“半成品”破譯出來，一個堿基一個堿基地破解DNA序列。桑格也因此拿到了第二個諾貝爾化學獎。

隨著桑格測序法的普及，DNA測序得到了極大的推動。1990年，人類科學歷史上最大的合作項目——人類基因組計劃正式啟動。中國、美國、英國、德國、日本5國的20所大學參與了測序項目，歷經13年終于宣告完成。然而，人類基因組堿基總量有32.3億個，當時高端設備一天只能測1000個堿基，可見工程量的巨大。而且，在2004年，測序成本還十分昂貴，測一個堿基需要7元人民幣，一次測700個堿基序列的花費高達5000元人民幣。

現在，第一代測序法仍然沒有被淘汰。對于較短的DNA片段測序，它是非常不錯的選擇。

2007—2012年，進入了百花齊放的測序2.0時代。第二代測序法的根本原理與桑格測序法沒有太大的區(qū)別，但效率直線上升。

第二代測序法仍然利用DNA合成原理，這一步化學反應有一定的概率（通常為百萬分之一）會出現錯誤。第一種情況就是排隊的時候認錯人了，A不一定和T配對，跑去與C甚至G配對;另有一種情況是，隊伍里連續(xù)出現同一個堿基，測序的時候如果“眼花”，就會多算或者漏算。DNA越長，累計錯誤就越多，所以第二代測序法一次只能測幾百個堿基的片段，通過首尾相連，像拼圖一樣拼出整條DNA的序列。

這也有新問題：有些DNA片段相似度極高，拼接同樣會出錯;有的DNA片段由于化學特性不易合成，無法測序。好在辦法總比困難多，以牛津Nanopore Minion為代表的測序3.0時代來了。

我們知道，有些生物的遺傳物質是RNA，而不是DNA，那DNA測序方法還適用嗎？答案是肯定的，因為DNA和RNA都屬于核酸。第三代測序設備牛津Nanopore Minion只有U盤大小，可以讓核酸直接通過一種納米小孔，半導體芯片感受到微弱的電位變化，從而解讀堿基的序列。

2015年非洲埃博拉病毒暴發(fā)期間，英國伯明翰大學的科學家團隊帶了4個Minion在幾內亞為142位病人的體液測序，僅需15至60分鐘，就能確定病人是否感染了埃博拉病毒。之后，關于Minion的應用實例不勝枚舉，有人用它測農場的牛奶是否存在有害的細菌，有人用它測大型商場的空調過濾網上是否存在有害微生物，甚至有航天員把微生物帶到空間站完成了DNA測序，為外太空生命探索提供了無限可能……

說回新冠病毒，國內科學家們1月初就發(fā)現，新冠病毒的遺傳物質是RNA，這歸功于中國科研人員在病毒暴發(fā)的初期，夜以繼日地給病毒測序。科研人員通過二代測序設備甚至是Minion對病人的血液、尿液或其他體液進行測序，與現有的生物體數據庫進行比對，從而發(fā)現了一個從未出現過的核酸序列，并確診有這種序列的病人為陽性，即使病人還處于潛伏期。也就是說，在我們對病毒一無所知的時候，二代測序法和Minion都能夠同時做到病毒的測序和病人的核酸檢測。

知道了病毒的核酸序列之后，國內科學家們發(fā)明了簡單實用的核酸檢測法，確認病人的核酸陰陽性——用已知的新冠病毒的一段作為引物，如果病人體內有新冠病毒的RNA，引物將與RNA結合并復制，變成一定的化合物之后，就可以檢測得到陽性。這種方法成本低，可以短時間內大量生產試劑盒，而且使用者也不需要接受特別的培訓。不過，核酸檢測法的缺點在于可能會出現假陰性，因為病毒在傳染過程中會發(fā)生微小的變化，并不一定能與引物結合，所以有些患者要測試多次才能被確診。

無論是一個病毒的序列，還是人體全基因組序列，都關乎人類的命運。只有破解了基因的“密碼”，人類才能更好地知道自己是誰，我們的明天會怎樣。