纳米孔测序仪：小小“身躯”却是高精尖技术的“集大成者”——访齐碳科技联合创始人兼首席科学家白净卫

纳米孔测序技术（又称第四代测序技术）是近几年兴起的新一代测序技术，相较于前几代测序技术，其最主要的特点是能够实现长读长测序和实时测序。2014年，英国公司Oxford Nanopore Technologies最早将这一技术进行商业化，自此之后参与其中的玩家也越来越多，这其中，齐碳科技无疑是国产纳米孔测序仪的代表企业。

齐碳科技成立于2016年，七年间，齐碳科技累计完成十几亿元融资，推出了国内第一款商业化纳米孔基因测序仪，并形成了严密的知识产权布局。整个发展过程，可谓一步一个脚印。齐碳科技凭借什么成为国产纳米孔测序仪企业NO.1？纳米孔测序的核心技术是什么？相较于当前主流的二代测序技术，纳米孔测序技术优劣势是什么？未来，纳米孔测序仪与二代测序仪的应用格局将如何发展？带着这些问题，仪器信息网采访了齐碳科技联合创始人兼首席科学家白净卫。

白净卫，齐碳科技联合创始人兼首席科学家。清华大学药学院研究员、博士生导师。研究方向包括单分子生物传感器、高通量长读长测序技术开发与应用、Point-of-Care核酸检测技术、多肽测序等;美国加州大学洛杉矶分校材料学博士、IBM 沃森实验室博士后，拥有超过10年的微纳器件研发经验。已获得十多项美国、中国授权专利；在Nature、Nature Nanotechnology、Nano Letters、 PNAS等期刊上发表论文30余篇。作为项目负责人获得3项科技部重点资助项目，领导基于纳米孔的新一代基因测序技术的研发。获得2018年“美国李氏基金会杰出成就奖”、“2022科学家创业先锋榜”、“2022N·GS创新开发者杰出贡献奖”、2023年未来医疗100强｜蔚澜奖·创新青年科学家等。

年研发投入数亿元 聚焦研发是公司快速发展的动力源

自成立以来，几乎每一年，齐碳科技都取得里程碑式的发展。从技术和产品的发展看，2017年，齐碳科技实现了纳米孔测序仪原理样机；2018年实现了工程样机；2020年，推出国内第一台自研的纳米孔基因测序仪；2021年底，实现量产、推出国内首款商业化纳米孔测序仪；2022年，在掌上纳米孔测序仪基础上，再推商业化桌面纳米孔基因测序仪，开始矩阵化发展。

白净卫表示：“现在推出的产品是基于我们的第一代技术，现阶段还在进行新技术的研发。齐碳科技走到今天，最主要的原因是我们持之以恒地投入研发。”

每年研发投入数亿元，320余名员工中70%以上是研发人员，这是齐碳科技当前的研发投入数据。尽管齐碳科技是一家硬科技创业型企业，但这样的研发投入不可谓不庞大。

白净卫随后讲起了齐碳科技的发展路径。不同于很多仪器企业，齐碳科技最开始就是利用商业投资，先后研制出研发样机和工程样机，之后再以这些为基础向市场进行融资；获得更多投资后，齐碳科技继续大力投入研发，进一步提升自身技术能力。如同滚雪球一般，齐碳科技快速发展壮大。白净卫坦言，“取得今天的成绩，一方面得益于在国家引导下，资本投向先进制造、科技创新型企业，支持实体经济发展，齐碳面临的商业投资大环境是向好的，另一方面也得益于我们始终聚焦于技术的研发和产品本身的性能提升。当技术研发积累到一定程度之后，它才能够形成可商业化的产品。6年的时间里，我们从没有动摇，也从没急于求成，做出能够满足终端用户需求的产品，是我们始终坚持的。”

如今，齐碳科技已经完成国产纳米孔测序仪研发及商业化从“0”到“1”的关键一跃。接下来它将在哪些方面发力呢？白净卫再次强调：“满足客户需求是我们最重视的事情。现阶段的成果表明我们整个产品线的逻辑已经通顺，接下来，我们将在此基础上推出一系列不同通量以及更高准确率的产品来满足用户不同应用场景的需求。”

“所有环节都是纳米孔测序仪的核心！”

齐碳科技至今已经发布了2款商业化基因测序仪，即QNome-3841便携式纳米孔基因测序仪和QNome-3841hex桌面式纳米孔基因测序仪。小小的仪器里所蕴藏的科技含量却不容小觑。

QNome-3841hex 桌面式纳米孔基因测序仪

回顾纳米孔测序技术的发展历史，会发现从研发到最终出现商业化的过程十分艰难。1989年，纳米孔链测序技术首次被提出；1995年，技术原理性专利被申请；直到2010年后，技术的可行性终于得以验证并在学术界展示。从提出概念到评价技术可行性，整个过程用了二十多年的时间。而在此之前，纳米孔测序技术被认为只是“想象中的技术”。

为什么证明纳米孔测序技术可行性的过程如此困难？据白净卫介绍，纳米孔测序属于单分子检测技术，第一个难点在于稳定测序，稳定是实现产品化非常重要的点；第二个难点是单分子电学的信号对检测灵敏度要求非常高，这会影响到测序的准确率；第三个难点在于单次测序通量如何提升。

那么，纳米孔测序仪的核心技术究竟是什么？

白净卫回答道：“常常有人问我这个问题，我认为并不是哪一个技术是纳米孔测序仪的核心技术，整个体系的完美配合是它的核心。基因测序仪的研制需要多学科交叉，就齐碳科技的纳米孔测序仪而言，核心技术包括纳米孔、控速蛋白、承载纳米孔的生物芯片等。在研发过程中，每一个单元都非常重要，研发难度也都非常高。”

以其中的芯片为例，齐碳科技纳米孔测序仪所使用的生物芯片基于微机电芯片技术（MEMS），其后端的信号非常弱，电路设计要求很高，此外，后端的信息解读也使用了大规模人工智能和深度学习的算法。“MEMS的要求与一般研究院所或半导体产线的要求均不一样，我们投了大量的人力和资金，经过了大量试错才研发出来。如果只是为了发文章，纳米孔测序技术可以做一些简单的测试和展示，但是要推出真正商业化的仪器，所有环节都是非常重要的。”白净卫进一步解释道。

纳米孔测序VS二代测序：针尖对麦芒？  

有别于前几代测序技术，纳米孔测序无需PCR扩增或者荧光标记，对样本片段长度没有限制。同时，纳米孔测序属于连续测序，即当核酸穿过纳米孔时，信号可以实时输出、实时分析。因此，相较于二代测序技术，纳米孔测序具有小型化、长读长、速度快等优势。

但也不可否认，在产品发展的前期，其准确率、通量和稳定性还是存在不足。其中，准确率偏低一定程度上限制了它的应用场景。随着工程和工艺的不断优化以及科学家不断发展新的技术，近几年，纳米孔测序技术的准确率已经有了明显的提升。白净卫介绍到：“过去三年左右，纳米孔测序技术的准确率已经做到95-97%，现阶段，在国际上已经展示出来的数据可达到99%以上，甚至有报道单次测序的准确率达到了99.5%。”

99.5%的准确率或许尚未在客户端稳定实现，但白净卫表示，根据过往经验，当一项技术有了初步展示之后，后续就可以通过不断地工程优化来提高它的稳定性，最终实现稳定输出。因此，他对纳米孔测序技术将来的准确率十分有信心，并推测这个准确率极有可能在未来几年内在客户端稳定实现。

当纳米孔测序的准确率真正达到理想值时，与二代测序的应用格局将发生怎样的变化呢？白净卫认为：“这个时候，纳米孔测序与二代测序的关系将不再是互补模式，结合自身长读长的优势，纳米孔测序在一些应用场景下极有可能取代二代测序，因为它能同时检出SNP短片段和长片段变异，这将给科学家提供更多的数据和信息，让他们更全面地掌握正在研究的内容，帮助他们发现新的科学现象。”

“当然，我认为两者并不完全是针尖对麦芒。任何新平台的出现，从某个角度来讲，更多的是去拓展我们的视野和想象力，让我们站在更高的台阶上去展望未来。使我们去开发一些新的应用，做以前没有做到的事情。”白净卫补充道。“比如，现阶段二代测序技术在临床上的一些应用已非常成熟，纳米孔测序即便在准确率提升之后进入这个市场，想要完全去替代原来的应用成本太高，因此并不现实，但可以在已有应用的基础上获得新的信息、开发新的应用。”

基因测序仪应通过技术突破摆脱“贵族形象” 走向平民化

近些年，国内涌现出多家测序仪创新型企业，基因测序仪市场快速发生变化，已经不再是过去一家独大、外资品牌垄断的格局。对于此，白净卫认为，过去基因测序仪是IVD行业中“high hanging fruit”，研制难度非常大、整个供应链不成熟，才会有illumina、赛默飞的产品在全球垄断的局面。随着整个市场、技术和供应链的发展，特别是国内的核心部件，如精密位移台、光学部件和芯片技术等的发展，使得本土企业有能力去做二代测序仪或者纳米孔测序仪，这是行业“水涨船高”的结果。当行业水平整体提升后，测序仪也将会渐渐“走下神坛”。从客户需求出发，白净卫表示很乐于看到更多国产基因测序仪厂商发展起来，通过激烈的竞争各自找到合适的发展路径，最终让整个基因测序行业获益。

一直以来，人们对基因测序仪印象是高端仪器，技术水平高，很贵，很难用。白净卫认为，企业要考虑用户真正的需求，让测序仪更容易使用、让用户能以更低的成本来获得所需要的数据。与国外企业竞争，本土企业需要有更多的技术突破和发展，而不是依赖劳动力或其他优势。他说，“伴随技术的不断突破，当有一天测序仪摆脱‘贵族’形象，变得平民化，甚至每个人都能用得起，才能够开拓更大的市场，真正作为一款基础的工具去推动相关产业的发展，从而影响整个社会。”

后记：在今年的第十六届中国科学仪器发展年会上，齐碳科技从众多创新型企业中脱颖而出，获得“2022年度科学仪器行业成长潜力企业”，这是对齐碳科技自主知识产权、创新性和市场竞争力的充分认可。纳米孔测序仪应用推广之路漫漫，但齐碳科技已经有了一个良好的开端。

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