国产纳米孔测序仪准确率飞升，凭什么？

病理医师

最近几月，测序仪市场可谓百花争鸣、新品不断：



如上表，纳米孔测序平台（华大序风、今是科技、普译生物）产品出新速度，已经呈现出与NGS短读长测序平台（赛陆、Illumina、真迈）齐头并进的态势。

其中，有一家企业，让我们感到很意外：今是科技，推出纳米孔测序仪G-seq500升级产品，宣称将单序列准确率提升到了99.9%（Q30），50X一致性准确率提升到了99.999%（Q50）。

国产纳米孔测序仪的性能，已经这么强了吗？

带着诸多疑惑，我们深入研究了今是科技的相关资料，并对其产品升级研讨会内容进行了详细剖析，力图为大家揭开其中的奥秘。

本篇主要回答3个问题：

（1）测得准，凭什么？

（2）实测表现，究竟如何？

（3）这会给应用市场，带来什么改变？

01.测得准，凭什么？

谈到纳米孔测序仪，就不得不谈纳米孔测序龙头Oxford Nanopore（ONT）。

但一直以来，ONT在测序准确率这一指标上，事实上并不尽如人意。在不断升级化学试剂、迭代算法后，ONT才终于在2022年发布的Q20+试剂方案中，原始序列准确度达到99%（Q20）。

为什么在“测得准”的这条道路上，ONT会如此艰难？这或许与其选择的技术路线有关。

• 经典的“纳米孔链测序”方案及升级难点
  

ONT采用的是“纳米孔链测序”技术路线。



如图，具体而言：在一张薄膜中嵌入若干纳米孔，并在孔的两端施加电压，使得带电的DNA/RNA单链在电场的作用下通过这些孔洞。当链穿孔一刻，离子电流产生阻断效应，引起电流的变化（特征阻断电流信号）。通过实时监测相应的变化图谱，并利用计算机辅助工具进行分析，从而实现核酸序列的测定。

这种测序方案，无需扩增、单分子直接测序、测序读长可达Mb级别，并且省去昂贵的光学信号捕捉系统，体积更小，对使用环境要求更低。

然而，“纳米孔链测序”在技术实现过程中，发现以下难点：

（1）不同碱基的特征电流差异很小；

（2）每一组特征阻断电流信号，其实是由同时停留在纳米孔中的多个碱基共同贡献，而非单碱基信号，这也给后续碱基识别算法提出了极高的要求，尤其是对均聚物序列的判断；

（3）核酸单链过孔速度极快，和纳米孔相互作用的时间通常只有几微秒，过于短暂的信号持续时间让电子元件难以有效捕获。

“碱基间信号差异小、非单碱基信号、信号难以捕捉”，这都给“链测序”准确率的提升造成非常大的挑战。

底层技术原理，决定了ONT“准确率提升”这条路会走得异常艰难。

这就意味着，想要快速突破，必须另想办法。

今是科技采用4种特殊修饰物链条（标签）标记ATCG四种游离核苷酸，这些标签在待测核酸链的复制过程中脱离，并穿过纳米孔，从而产生不同特征阻断电流，通过电流信号采集，分析复制的核苷酸种类，从而获得待测链条序列信息。

这样做，貌似可以带来一些直接的好处：

• 信噪比提升：不同碱基的特征信号可以通过标签得以放大，提升了测序电信号的信噪比；
  
• 单碱基分辨率：不同碱基信号间有了清晰的边界，不再像“链测序”方案中一个信号由过孔的多个碱基共同贡献，从而可以实现单碱基分辨率的碱基识别。
  

*“边合成边纳米孔测序”，并非待测链直接穿孔，而是使用4种特殊修饰的链条标签穿孔，每次碱基合成产生一组唯一信号。
理论上，该技术方案原始信号读取准确率的提升较之“链测序”方案会更容易实现。

基于“边合成边纳米孔测序”技术路线，还可以更准吗？

可以，一条序列，多测几次。

只需要对单个DNA分子进行重复测序，就能大大降低原始测序中的随机错误，提高单序列准确率。

02.实测表现，究竟如何？

上文，从技术原理分析了“边合成边纳米孔测序”技术路线，理论上似乎更容易实现准确率的提升。

但真实情况，是否如此呢？

我们先看看厂家自己在发布会中展示的参数和实测情况：



*截图自今是科技技术升级研讨会（下同）

研讨会上，讲者提到，新升级版本，通过启用全新生化系统，配合芯片的改造、算法的进步，在不改变芯片孔数（512k/张）的前提下，核心性能相较老版本有极大提升。具体表现在：

• 准确率：原始准确率90%（Q10）；单序列准确率99.9%（Q30），50x一致性准确率达到99.999%（Q50）;
  

• 测序读长：读长N50＞50kb；
  

• 数据产量：单芯片单run可产出5Gb数据；芯片可复用10次，故单张芯片在生命周期内可以产出50Gb的数据。
  

（1）使用大肠杆菌标准品进行测试：



左图展示了每一个测序序列原始准确率（从电信号直接转化为序列信息），可以看到，其原始准确率平均值、中位值均超过了Q10；右图是经过算法处理后实际输出的单序列准确率，Q值平均值超过了Q34，中位值超过了Q36。

实测数值超过厂家宣传数值。

从90%的原始准确率，提升到超99.9%的单序列准确率，推测实验中采用了重复测序方式，提升了单序列准确率。

（2）与某进口品牌的“头对头”比较：



微生物靶向测序，将同一样本一分为二分别在进口、G-seq500平台上进行检测。

结果显示，G-seq500测序平台的数据质量平均值分别为Q26和Q22，高于进口品牌的Q12水平；Q值中位值，G-seq500平台在两个样本中分别为Q35和Q34，高于进口品牌的Q12和Q13。

（3）“测序芯片复用10次”的表现：

除准确率以外，我们还重点关注另一关键指标“测序芯片复用”。



对一张芯片进行每次测序3小时，连续测序10次的操作并追踪统计测序结果。

从图中可以看出，在测序芯片的全生命周期内，不同run之间芯片单次数据产量在5-7Gb之间，实测数据均超过厂家宣传的5Gb/run。

G-seq500在测序芯片复用的表现上，并未发生其他纳米孔测序平台随着复用次数增加，由于孔蛋白失活或堵孔，造成的数据产量显著降低的情况。

这是怎么做到的？

企业技术人员解释，这得益于今是科技在测序芯片、生化系统上不同的设定。相较ONT需要在出厂前把膜及孔蛋白预制到测序芯片上，今是科技将测序芯片和生化系统分离，测序芯片保持纯物理结构。

每次测序前，测序仪自动进行芯片成膜和纳米孔复合物上膜等过程；单run测序结束后，自动进行清理，确保无生化组分残留，这样保证了在测序芯片使用寿命周期内，数据产量和质量的稳定。

芯片若可稳定复用，则会大大降低用户使用成本；用户不用再凑样上机，提高了检测的灵活性。

03.应用市场，如何变化？

前文，我们提到，纳米孔测序由于准确率、通量、稳定性等原因，始终在测序领域处于配角地位，是NGS技术的补充。

但，如果纳米孔测序的准确率大幅提升、通量增加、稳定性提升、成本下探呢？这会给应用市场带来什么改变？

答案是，在某些应用领域，我们可以告别NGS、PacBio、ONT、Sanger等多测序平台组合的依赖，使用单一测序平台，即可更方便、快速、低成本地满足应用开展所需各种要求。

以基因组组装为例，受限不同测序平台的技术优劣势和科研经费，既往我们通常的方案是：利用长读长测序技术“搭框架”、利用短读长测序技术“补精度”，共同提高基因组组装的完整性和准确性。

能不能更简单一点呢？

研讨会专家汇报这样一个案例：



*截图自今是科技技术升级研讨会专家汇报PPT

使用G-seq500单一平台进行金葡菌全基因组组装分析，结果与PacBio+Illumina组装结果表现相当。

在肿瘤基因检测中，高准确度、长读长纳米孔测序技术也表现出了较大的应用潜力。



*截图自今是科技技术升级研讨会专家汇报PPT

以上图为例，报告者提及，由于NGS测序读长较短，很难提供较长片段的完整转录本信息，并不能很好分析白血病中常见的BCR::ABL1全长范围耐药突变和复合耐药突变问题，这些可以通过G-seq500长读长测序很方便实现。

除了以上谈到的两个典型应用方向，高准确度、长读长测序技术在遗传病复杂结构变异、单体型分析、快速病原检测等应用领域，也有很大的应用潜力。

但，仅限于此吗？

篇后

理想的测序形态应是怎样？

应该像我们阅读一样简单，可以十分方便、随时随地、连续无间断、准确地阅读。

从这个层面来说，短读长测序技术其实是一种折衷方案，需要打断、扩增、再拼接，这一系列过程损失了很多原始信息；

而纳米孔测序则更接近一种理想的测序形态，它的上限会更高。

乐观来看，随着越来越多的企业、研究者的共同努力，大家沿着不同的技术实现路线，逐渐补齐纳米孔测序既有短板，提升准确率、提升通量、降低成本、降低操作难度，可以预见，纳米孔测序，将会成为一种更通用、更广泛的技术手段。

纳米孔测序的未来，不仅于此，也不限于此。

来源：基因江湖

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