人类 23 条染色体碱基早在 2003 年就全部解密,当时花费之大(30 亿美元)、为期之久(15 年)、参与的科学家人数之多,让人类基因图谱计划成为科学史上的一个伟大工程。时至今日,随着各实验室对于定序技术的革新,以及电脑运算能力的增加,定序仪器已经缩小到一台小冰箱大,如美国生物科技公司 Illumina 的 NexSeq,能在 2 天的时间内把一个人的染色体定序完毕,费用则压缩到 15 万台币左右。但这样的体积和费用仍不适合科学家在野外或偏远地区使用,通常户外研究不一定需要将所有的染色体定序完毕,而是需要轻便、易于携带并且更便宜的定序机。
Oxford Nanopore 在 2013 年底推出了手掌大小的基因定序仪──MinION,这台机器使用全新的定序技术“奈米孔定序法”(nanopore sequencing),不仅能定序 DNA 和 RNA,甚至连蛋白质和化学物质都能侦测,其原理《科技新报》曾有专文“用随身碟做 DNA 定序 每支不到 3 万台币”介绍,在此不赘述。由于这种新技术尚未成熟,因此 Oxford Nanopore 公司发起了 MAP(MinION Access Programme)计划,类似产业界与学术圈的合作方式,研究人员只要透过该公司的网页申请,最多可以申请到 50 个 MAP 组合包,每个组合包押金 1,000 美元,只要符合该公司的要求在实验结束后会全额退还押金。Oxford Nanopore 公司则借由参与人员的使用经验和回馈来改进 MinION。
▲ MinION 大约一个行动电源大小。(Source:Oxford Nanopore)
参与计划的研究员 Joshua Quick 带着三个 MinION 和一台笔电去非洲几内亚,在 12 天内就找出 14 位病患有埃博拉病毒,这对流行病学是一项巨大的突破。对此成果,Quick 表示:“这简直是基因定序的民主化,再也不需要昂贵笨重的设备了。”
另外一组意大利生物学家则带着 MinION 去坦桑尼亚的雨林,替当地一种青蛙做基因定序。缅因州 MDI 生物实验室的 Karen James 则希望能与市民科学家合作,一起调查缅因州 Acadia 国家公园的生物多样性。美国太空总署(NASA)甚至计划带一台 MinION 到国际太空站,让太空人测试在无重力状态下可否使用。如果成功,下一步将送到火星,检查那里是否有生命迹象。
虽然 MinION 能够将病毒和细菌做定序,或者读出人类某段染色体的碱基,区分染色体内某一个基因的变异型,但它仍然有不少缺点。首先它的定序速度很慢,无法处理大型的基因体,据估计如果用它来定序人类的全部染色体,要花上一年的时间;其次在 DNA 的定序上错误率高达 5~30%,比起大型的定序仪差很多;最后它在定序长的、重复的碱基区常常发生错误。不过随着科技的进步,这些缺点相信会逐步被克服。
现在 Oxford Nanopore 尚未决定 MinION 要卖多少钱,如果不贵的话,说不定以后诊所或家里也可以买一台。能做什么呢?诊断疾病、选择药物、鉴定血源等都会用的到。
- Pint-sized DNA sequencer impresses first users