二代测序(NGS)和三代测序(单分子测序)在产业链上游的依赖结构存在显著差异:二代测序对上游PCR扩增试剂和测序芯片的依赖更强,而三代测序因无需扩增,对文库制备环节的需求明显不同,整体上游依赖更轻。

用歌曲来比喻,二代测序是把一首歌切成不超过200BP(碱基对)的片段来读取,再用算法还原,相当于把歌切成三字片段再拼接;三代测序则不用扩增,从头读到尾,相当于把整首歌完整唱完。这一技术路线的根本差异,直接决定了两者在产业链上游试剂耗材上的依赖程度不同。

技术路线决定上游依赖

二代测序的文库构建复杂繁琐,必须先将DNA扩增,再切成不超过200BP的片段进行读取。这意味着其产业链上游对PCR扩增试剂、测序芯片等耗材有持续且刚性的需求,且测序读长短、序列分析时间长,对后续数据还原算法的依赖也更强。

三代测序(单分子测序)的核心优势在于测序时不需要进行PCR扩增,而是基于单分子的电信号或化学反应信号检测,实现对每一条DNA分子的单独测序。由于省去了扩增环节,其对PCR扩增试剂的需求天然弱化,文库制备过程更简单,设备也更为便携——目前使用最成熟的MinION测序仪甚至可在极地、海洋、太空等复杂环境下完成实时测序。

产业链格局的差异

从产业链各环节看,二代测序在上游试剂、仪器、数据分析各环节形成了较为成熟的配套体系,这也是其占据最大市场份额的重要原因。三代测序则在读长、实时测序、直接对RNA测序等方面具备独特优势,但在准确率上仍存在短板——目前准确率只能做到95%。

对比维度二代测序(短读长)三代测序(长读长)
测序方式DNA扩增后切成不超过200BP片段读取无需扩增,从头读到尾
上游试剂依赖对PCR扩增试剂、测序芯片依赖强无需扩增,文库制备更简单
读长短读长长读长,原则上对测序长度没有限制
准确率对重复序列测序存在短板目前准确率可做到95%

值得注意的是,三代测序的行业关注度正在快速提升。2022年4月,端粒到端粒联盟(T2T)利用长读长技术完成了首个真正完整的人类基因组序列;2023年初,国际顶级期刊《Nature Methods》将长读长测序评选为“2022年度最佳技术”。在产业端,华大智造、Element Biosciences、Ultima Genomics等都已布局长读长测序领域,齐碳生物等专注于纳米孔测序的初创公司也获得了大额融资。

常见问题

三代测序会完全取代二代测序吗?

不会。两者各有优劣:二代测序便宜好用但文库构建复杂、读长短;三代测序读长长、无需扩增但准确率目前只能做到95%。当前三代测序市占率不到10%,应用多局限于基础科学研究,在临床商业转化上仍在突破中,短期内两者更可能是互补关系。

三代测序的准确率问题如何解决?

三代测序目前准确率可做到95%,主要问题在于容易把“嘻唰唰”唱成“喜剧刷”。行业正在通过模式识别算法优化等方式提升碱基识别准确率,同时三代测序在基因组重复序列等二代测序的短板领域具有不可替代的优势。

产业链上游的国产化情况如何?

在二代测序领域,上游的PCR扩增试剂和测序芯片形成了较为成熟的供应体系;三代测序方面,华大智造等国内企业已布局长读长测序领域,专注于纳米孔测序的齐碳生物也在2022年完成了7亿元C轮融资,产业链上游的国产替代进程正在加速。