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雷蒙德·麦考利:让普通人读懂“天书”

2006年中旬,人类染色体中最大的一条——第一号染色体测序完成,这意味着人类基因组中24条染色体(22条常染色体和两条性染色体)全部完成测序。和5年前,人类基因组工作草图公开发布一样,世界各地的媒体不约而同的使用了“科学家破解生命天书”来报道这一事件。

而在同时,雷蒙德•麦考利(Raymond McCauley),这位当时在赫赫有名的生物技术公司——Qiagen任职的科学工程师,敏锐的察觉到了人类基因组计划所带来的挑战和机遇,并萌生了新的想法。就在第二年,他带着他的想法离开了Qiagen公司,加入了刚刚涉足测序领域的Illumina公司,以求来实现他的想法。

也就在这一年,Illumina公司耗费6亿美元之巨,收购了英国一家测序公司Solexa。同年,Illumina公司借助来自Solexa公司的技术,推出了新一代测序仪Genome Analyzer,这标志着高通量测序技术的争夺战由此拉开序幕。而这,正是麦考利实现自己梦想的第一步。

dna (1).jpg雷蒙德·麦考利。图片来源:wired.co.uk

更快,更便宜

人类基因组包含30亿个碱基对,记录了人类几乎所有的遗传信息,而搞清楚这些碱基的序列,无疑能让人们对自身的认识跨进一大步。人类基因组计划正是基于这个目的而设立的。然而,要完成这个目标并不简单。传统的测序技术,需要掺入经过标记、能够阻断DNA链继续延伸的人工核苷酸,然后以目标DNA序列为模板合成,一系列末端为人工核苷酸的长短不同的DNA链。这些DNA链经过电泳分离后,再经过扫描和读取,才能获得序列的信息。

这一技术为基因组研究奠定了重要的基础,它的发明者弗雷德里克•桑格也因此获得了诺贝尔奖,但它的效率还是太低了。而且在真正测序之前,科学家们还必须将生物体本来的DNA长链打断成合适长度的片段,并一一封装在细菌和酵母中保存。人类基因组计划耗费了数十亿美元和15年以上的时间,而这些资金与时间实际上有很大部分消耗在了对测序样品的前处理上。

而高通量测序技术的出现,为测序领域带来了革命性的变化。在高通量测序中,科学家们可以检测到所添加的不同碱基所释放的不同信号,从而在DNA链合成的同时读出DNA序列。不仅如此,高通量测序能够一次性读取上亿条DNA链延伸的数据,因此,虽然读取的每条DNA链的长度不及传统测序,但数量上的优势依然使得高通量测序的速度较传统方法提高了数万倍。由于前处理的简化和速度的提高,测序的成本也大为下降——相比于人类基因组计划,高通量测序只需要几个月和数千美元,就能获得质量相当的测序数据。减少测序成本和测序时间,这正是麦考利所期望的。

对于研究机构来说,几个月和数千美元的投入已经完全可以承受,然而麦考利还希望能使DNA测序变得更加快捷和低廉。如果测序所需的时间可以减少到数天,成本可以低到一千美元甚至一百美元,那么人们就可以像接受普通体检那样来对自己的基因进行检测了。事实上,麦考利正在着力于研发和推广更低成本和更快捷的测序技术。基于单分子DNA测序的所谓第三代超高通量测序技术,就是实现这一目的可能的突破口。

让普通人读懂“天书”

让人人都能测定自己的基因组序列,从而发现可能的基因异常以及健康风险,这正是麦考利所期望达到的目标——个性化测序和诊疗。不过,麦考利的雄心还不止于此。

测序本身得到的只是一串由四种碱基组成的数据序列,最多再加上极为有限的一些特殊DNA位点信息。然而,要想真正实现个性化的测序服务,还得让消费者们了解这串字符背后究竟包含着怎样的信息才行。而解读测序信息,正是麦考利研究事业的另一方面。

麦考利一开始并不是生物专业出身,事实上,他最初学习的是计算机和电子工程专业。只不过在他大学期间,学兽医的女友让他对遗传学产生兴趣,进而选修了生物学。毕业后,他先是做了一段程序员的工作,此后对事物的好奇心驱使他重新回到大学,学习生物化学和生物物理。当时,刚刚启动的人类基因组计划吸引了他。麦考利意识到,这是一个极具前途的发展方向,于是他将自己的计算机和生物专业知识结合到了一起,开始进行生物信息方面的研究和实践。

利用计算机程序,可以自动快速地从DNA序列中筛选到一些和性状相关的位点,并在二者间建立联系——事实上,这正是麦考利在Qiagen公司所从事的工作。那时,他着眼于研究一些基因位点和癌症的关系——因为不少癌变的发生,都与特定基因位点的变化有关。

而新测序技术的出现,让生物信息技术有了更大的发展空间。测序仪和软件可以一次性筛选出数万个基因位点,同时计算出这些位点与潜在的疾病之间的关系;而对于RNA的测序,甚至可以知道自己体内基因实时的表达情况。如果说前者可以在发病前很早就进行预测,那么后者则可以精确地实时反映人体的健康状况。现在,麦考利依然致力于开发基于高通量测序结果的分析软件。他希望有一天,人们能够随时将自己即刻的测序结果通过软件进行分析,从而得知自身的健康状态,进而采取个性化、有针对性的对策。在该技术完善之后,它无疑会成为人类医学史上的一大飞跃。

生物技术爆炸,如何走得更远?    

现在,麦考利不仅是生物信息学家、生物技术研发者和生物产业顾问,他还力争成为生物新技术的前瞻者。2008年,麦考利加入了由谷歌与美国宇航局共同合作开设的教育机构——奇点大学,任生物技术和信息学项目负责人。他认为,新的测序技术以及生物信息技术将成为生物技术爆炸性发展的主要推动力。

除了医疗领域,测序和生物信息的结合,在农业、药物、新能源等领域也将发挥强大的作用。例如,对农作物和禽畜进行的基因组测序分析就会对新品种的研发起到重要的指导作用;而对基因组的了解更将推动合成生物学的进步——所谓合成生物学,就是在清楚各种不同基因的结构、功能、行为模式后,像模块一样加以组合和拼装,从而生产出具有新特性的改良生物体,甚至“人造生命”。有人预测,在未来这种“类人造生命”会像19世纪的机械制品和20世纪的电子制品一样得到广泛的应用。而新的生物技术的爆炸,将会在未来十余年内改变全球数十亿人的生活方式。

而这,正是麦考利所追求的终极目标。为此,他依然一路前行。(编辑:窗敲雨)

The End

发布于2014-11-22, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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