从人类基因组计划耗资30亿美元到如今单例测序成本低于100美元,基因测序技术经历了从第一代Sanger测序到高通量测序(NGS)、再到单分子与纳米孔测序的代际跨越,其成本下降速度远超摩尔定律,被行业称为“超摩尔定律”。

第一代测序:开山之作与成本天花板

第一代DNA测序技术指1975年由桑格(Sanger)和考尔森开创的链终止法,以及同期发展的化学降解法。1977年,桑格测定了第一个基因组序列——噬菌体phiX-174,全长5375个碱基,人类从此步入基因组学时代。

第一代测序的优点是读长可达1000bp、准确性高达99.999%,至今仍在单基因病的基因诊断和产前诊断中广泛使用。但其缺点同样突出:依赖PCR扩增、通量小、自动化程度低、成本高,无法支撑大规模应用。2001年,以改进的Sanger法为基础完成的首个人类基因组计划,总费用高达30亿美元。

第二代高通量测序:成本断崖式下跌的引擎

高通量测序技术(NGS)是对传统Sanger测序的革命性改变,可一次对几百万到几十亿条核酸分子进行序列测定,因此也被称为大规模并行测序。其核心思路是鸟枪法:先把DNA打碎,并行读取每一个碎片,再像拼图一样还原完整序列。

NGS诞生后,测序成本以“超摩尔定律”的速度下降。根据美国国家卫生院数据,人类全基因组测序成本在2001年高达9526.3万美元,2009年降至10万美元左右,2015年降至约1000美元。这一阶段的技术壁垒主要在于高通量平台的工程化能力与规模效应。

第三、四代测序与100美元时代

在因美纳用NOVA系列把成本降到1000美元之后,行业继续向更低成本冲刺。最终将单例测序成本推进到100美元以下的,是后来者Ultima Genomics和华大智造。2023年,华大智造发布超高通量测序仪DNBSEQ-T20×2,每年可完成高达5万例人全基因组测序,单例成本低于100美元,创造了全球基因测序仪通量的新纪录,被定位为“超级测序工厂”。

从技术路线看,三代单分子测序与四代纳米孔测序的核心差异在于无需PCR扩增、可直接读取单条DNA分子,在读长与实时性上具备独特优势,但其大规模商业化程度与成本控制仍是当前竞争的关键壁垒所在。

常见问题

为什么测序成本能下降这么快?

核心驱动力是高通量并行测序带来的规模效应,以及“超摩尔定律”的技术迭代速度。从2001年9526.3万美元到2022年降至100美元,成本下降近百万倍,远超半导体行业的摩尔定律速度。

100美元成本意味着什么?

单例测序成本低于100美元意味着基因测序的普及度将大幅提升。基因组数据的快速积累,将使得人类基因组的解读超越生物学范畴,推动中下游应用企业爆发性增长。

当前测序技术的壁垒在哪里?

早期壁垒在于生化原理的突破,当前壁垒则集中在超高通量平台的工程能力、单位通量的规模成本,以及单分子/纳米孔路线的商业化成熟度。各代际技术在读长、准确率与成本之间各有取舍,竞争格局仍在快速演变。

延伸阅读