14天锁定新型肺炎元凶背后,是14年的技术竞赛

  • 来源:微信公众号“放大灯”作者:李拓、张旌、刘冬宇
  • 2020-01-24
2002年12月,广东河源市一位黄姓病人因不明原因肺炎就诊,一个月后病愈出院,但引线已被点燃:中山市先后出现多起医护人员肺炎感染病例。2003年1月21日下午,国家疾病控制中心专家组将该病定名为“非典型性肺炎”。这种后来被称为SARS的

2002年12月,广东河源市一位黄姓病人因不明原因肺炎就诊,一个月后病愈出院,但引线已被点燃:中山市先后出现多起医护人员肺炎感染病例。2003年1月21日下午,国家疾病控制中心专家组将该病定名为“非典型性肺炎”。这种后来被称为SARS的呼吸系统传染病在中国广东爆发,继而向全国及东南亚乃至全球扩散。

世界卫生组织统计数据显示,截至2003年7月31日,SARS疫情共造成全世界8096人感染,死亡病例774人,其中中国大陆地区感染人数达到5327人[1]。

“错失的机会”

尽管中国大陆地区首先发现了感染病例,但确定病原体、对病毒进行分离、基因测序和发现病毒受体的工作却并未走在世界前列。

实际上,北京一个研究机构(军事医学科学院,AMMS)在2003年3月7日之前,就已通过电镜,在病人身上获得的样本中观察到了一种未知病毒,并推测该病毒极有可能与当时流行的SARS有关,他们甚至发现,病人血清可能对抵抗病毒有帮助。

但由于官方使用了中国工程院院士、医学超微结构及病毒学专家洪涛的说法,宣称这场疫病的传染源是一种衣原体细菌,导致这个发现并未走出北京。2003年3月17日,世卫组织不得不组织世界上11家实验室(没有来自中国大陆的实验室)开始寻找SARS病原体。一周之后的3月24日,联合实验室发现了冠状病毒。

直到4月14日,病毒样本才被连夜送到华大基因实验室开始RNA测序,当天凌晨2点,测序结果出炉,但就科研竞赛而言,中国输了:来自加拿大温哥华的迈克尔・史密斯基因组科学中心(Michael Smith Genome Sciences Centre)已提前一天测定了这个新型冠状病毒的序列[2]。

2003年7月18日,Science杂志以《中国错失良机》(China's Missed Chance)为题,报道了SARS病毒发现的过程和细节,并慨叹中国科学家“失去了一次在全世界面前闪耀的机会”[3]。

负责协调世卫组织的德国病毒学家克劳斯·斯托尔(Klaus Stöhr)不无遗憾地说,如果中国的科学家能及时公布发现,各国实验室的研究进度将大大加快。中国科学家哪怕是给斯托尔一封邮件,哪怕是一通电话,都可能让中国科学家在疾病史上占有一席之地,并在知名科研杂志上发表几篇重磅论文。军事医学科学院杨瑞馥也懊悔地说:“我们等得太久,也太谨慎了。”[3]

2003年5月12日,国家邮政局宣布,将于19日特别发行《万众一心抗击非典》邮票一套一枚,编号为特4-2003,发行量为1250万枚,邮票面值80分

16年过去了,另一种冠状病毒袭来。

2019年12月30日,武汉市卫生健康委员会医政医管处发布《关于做好不明原因肺炎救治工作的紧急通知》,通知称武汉部分医疗机构陆续出现不明原因肺炎病人,临床表现均表现为病毒性肺炎或肺部感染。[4]

在首次疫情通报的一周之后,2020年1月9日,新华社记者采访病原检测结果初步评估专家组组长、中国工程院院士徐建国。他表示,截至7日21时,实验室从阳性病人样本中分离出一种新型冠状病毒,并进行了全基因组检测,并确认引起此次疫情的新型冠状病毒不同于包括SARS在内的已发现的人类冠状病毒。[5]

首例新型肺炎报告后的第14天,1月12日,世界卫生组织(WHO)宣布,已收到中国分享的从武汉不明原因病毒性肺炎病例中检测到的新型冠状病毒基因序列信息。世卫组织认为,这对其他国家开发特定诊断工具有重要意义。[6]

在基因序列公布后的1~2天里,硕世生物、达安基因、之江生物、华大基因等公司根据病毒的RNA序列,先后宣布完成了新型冠状病毒检测试剂盒的开发。[7]

1月19日,国家卫健委官方微信公众号“健康中国”发文,表示已下发新型冠状病毒检测试剂盒[8]。得益于检测手段的进步,在过去的两天内,武汉、北京、深圳各地确诊并通报了多起新型肺炎病例。

这次病原体检测,中国没有错失机会。在2003年至今的16年间,基因检测技术的发展,成了今天医疗工作者们迅速探明病原的关键工具。

是谁造出了这些基因检测设备?这是一个技术进步与市场竞争并行的故事。

无字天书

基因的复杂结构令人着迷,四种碱基两两配对,组成DNA双链螺旋结构,特定的碱基序列形成了生命的基因密码。通过破译DNA这部无字天书,我们才能了解世间万物和自身生、老、病、死的全部秘密。

RNA与DNA结构图,图源:Wikipedia

以人类为例,要测定多达60亿对碱基的完整序列,所需甚费。历史上,人们曾集合6个国家,20所大学/科研中心的科研团队,自1990年起,耗时13年,花费30亿美元才完成“人类基因组计划”(Human Genome Project, HGP)。

2003年4月,“人类基因组计划”宣布完成,但收尾工作陆陆续续持续到2005年。2006年,人们使用同样的技术制造出一款“基因测序仪”(由ABI公司生产),人类全基因组测序的成本直接降到了1000万~1500万美元[10]。

就在这款测序仪公布后的第二年,科学家们利用了另外一种新技术,再次为人类基因做全基因组测序,新项目只用了4个月,花费仅有近150万美元。

为了这次突飞猛进的技术进步,人们特意举办了一场发布会——2007年5月31日的发布会上,诺贝尔奖得主、DNA双螺旋结构的发现者之一詹姆斯·沃森接受了一份特殊的礼物:一张写有他个人全部DNA信息的DVD光盘——沃森,正是为这次新技术牛刀小试的血样提供者。

这张光盘所容纳的基因信息,全部由一家名为“454 Life Science”的公司来完成[11][12]。

从13年到4个月,30亿美元到150万美元,效率和费用差距背后是技术的进步。

“人类基因组计划”使用的是第一代技术:桑格测序法(Sanger sequencing),而454公司则使用了第二代测序技术(基于“焦磷酸测序法”),省钱省力。

基因测序技术演进图,制图丨放大灯团队

桑格测序法由诺贝尔奖获得者桑格于1975年发明,原理并不复杂,主要是基于DNA由一块块颜色各异的积木(脱氧核糖核酸)组成,每块积木手拉手形成一条长链。桑格则在积木拼接过程中混入只有一只手的积木,长链就会在此中断,从而得知长链中每个位置分别是什么样的积木,也就是DNA的序列。[13]

省钱之余,454公司可谓一箭双雕。

由于沃森是DNA双螺旋结构的共同发现者,1962年诺贝尔生理或医学奖获得者,同时还是冷泉港实验室名誉主席,454公司充分利用了这个名人IP。一方面使用沃森的名字(James Dewey Watson),为项目取名“吉姆计划”(“Project Jim”),打通了商业与科研;另一方面,通过全基因组测序,让当事人沃森做其新技术背书,这是花多少公关与市场费用都难以达到的效果。

所以“吉姆计划”的本质,不过是454公司为新款测序仪产品做的技术秀。

诺奖得主参与的技术秀

早在2005年,454公司就有为个人“提供完整基因测序”的想法。

454公司创始人罗森伯格,这个兼具技术与商业思维的天才,为了让这场炒作更广为人知,首先想到的合作对象,就是DNA双螺旋结构发现者之一、诺奖获得者和时任冷泉港实验室名誉主席詹姆斯·沃森。

面对“首个为二代测序技术贡献完整基因组”的身份与名誉的双重诱惑,沃森没有拒绝,只是提出一个附加条件:不要公布他的某些遗传病基因。

可令454公司万万没想到的是,大嘴巴沃森“第二天就找《纽约时报》记者爆了料”[14]。

科技史插曲:一代测序技术竞争期间,“人类基因组计划”的完整基因由多个匿名人士拼齐,塞雷拉公司(Celera Genomics)的基因样品则来自其前总裁克雷格·文特尔(J. Craig Venter)捐献。

《纽约时报》记者闻风而动,赶到位于长岛的冷泉港实验室想一探究竟。但并没有什么神奇高端的科幻场景,作者看到了实验人员使用的454公司生产的旧款二代基因测序仪(GS 20),并用略显惊讶、同时又嫌弃的语气描述道:“像巨大的洗衣机和iPod的混合体,每台价值50万美元,还不包括软件平台”[10]。

但在2006年,这台怪兽机器还只能给大肠杆菌之类的微生物做基因测序,还不足以完成人类基因组测序[14]。人类基因组数据量太大了,这款早期二代测序仪可怜的处理能力会“消化不良”,导致吞吐量过小、错误率过高等问题。

也是在这一年,454的竞争对手Solexa推出了一款二代基因测序仪,并放言也要进行人类全基因测序,《纽约时报》甚至已曝出了基因样本的捐献者身份:一位尼日利亚匿名男子[10]。

出人意料的是,2006年还在争锋的454和Solexa,次年就双双委身于人——2007年1月,Solexa被生物科技公司Illumina(该公司在2019年终于有了个中文名字:因美纳)拿下,而454则在当年3月被巨头罗氏诊断收入囊中。

被罗氏收购后的454公司,使用其新款测序仪GS FLX,为沃森做了全基因测序,并在2007年5月为此举行了声势浩大的发布会——此时距离罗氏收购454公司刚过去两个月。

伴随DVD光盘发布会一起开启的,是一场历时十几年的测序仪之战。

因沃森而备受关注的454公司的明星测序仪GS FLX,是“高通量测序”或“下一代测序”(NextGeneration Sequencing,NGS)技术的早期代表,可同时对上万甚至百万条基因片段实现“大规模并行测序”,在提高效率和大大降低成本的同时,依旧能保证测序的精准度。

454的测序仪基于“焦磷酸测序法”,该法的原理于1996年提出[15],是“非桑格测序法”的重要代表。简单地说,其原理本质是:先将单链DNA与各种酶共同孵化后,通过一系列酶化学反应,释放能量,促使荧光素的合成,并释放可见光。镜头和感光元件检测后通过捕捉光信号来确定互补链的序列信息。

454测序仪的测序流程,基于焦磷酸测序法。图源丨Wikipedia,by Density Design Research Lab

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