12大颠覆性技术：下一代基因组学和3D打印入选

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12大颠覆性技术：下一代基因组学和3D打印入选
4 s( |# j$ O# F) q1 ~6 L2013-05-28 来源：bio360 & biodiscover 作者：koo 1 E. ~  O- k( f  J
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日前，全球著名的管理咨询公司 麦肯锡全球研究所（McKinsey Global Institute）发布研究报告，公布未来12项可能改变生活、企业与全球经济的破坏性科技（disruptive technologies），这些技术有望在2025年带来14万亿至33万亿美元的经济效益。其中包括与生命科学领域息息相关的有下一代基因组学（7）和3D 打印技术（9）。2 k6 n# p- F7 l) _
研究报告从100种技术中挑选出12项经济效益最高的技术，然后分析这些技术可能的应用方式，以及可创造的价值，并以经济效益排名。报告估计2025年全球经济产出为100万亿美元。
$ P9 M' I. W5 N- B% ]以下为麦肯锡列举的下一代基因组学技术及其潜在的经济影响程度（含消费者盈余在内，即消费者并未支付的因创新而获得的价值）。$ N1 }7 V- H% d2 D8 `
下一代基因组学技术到 2025 年的影响力：
) {: [. ~2 L) _1 E0 K. p6 f经济：0.7-1.6 万亿美元；
6 G1 ^3 Z$ Z, ^  w8 P生活：通过快速疾病诊断、新药物等延长及改善 75% 的生命；. g& U: A+ J" W) v1 N+ Y
主要技术包括：先进 DNA 序列技术 ；DNA 综合技术；大数据及先进分析。
$ B( x* ]1 u# U& l下一代基因组学中，尤为重要的是下一代测序技术、基因诊断以及基于遗传数据的个体化医疗。其中，下一代测序技术将产生高通量遗传数据，研究人员将这些海量的遗传数据与疾病进行关联（GWAS分析），从而提供疾病诊断和个体化医疗的靶向分子。
$ a! V/ f$ G+ D. v1 |下一代基因组测序技术的3大产品：, n- C9 `2 v; N0 a: Z  O
下一代基因组测序以单分子实时为特点，在纳米孔介质的基础上通过记录PH值、荧光和电流的改变，进而测出特定片段的碱基序列。目前，上市和待上市的下一代测序仪从技术特点上分为3个，它们是Life Technologies公司的Ion Torrent、Pacific Bioscience公司的PacBio RS和Oxford Nanopore Technologies公司的纳米孔测序仪。
; z( l4 L- K1 C# r6 M6 YLife Technologies公司的Ion Torrent; \& O4 Z8 b/ A$ z- Y3 U
其核心技术是使用半导体技术在化学和数字信息之间建立直接的联系。在半导体芯片的微孔中固定DNA链，随后依次掺入ACGT。随着每个碱基的掺入，释放出氢离子，在它们穿过每个孔底部时能被检测到，通过对H+ 的检测，实时判读碱基。6 R. S8 j) Y: S. L' y
Ion Torrent 半导体测序芯片的每个微孔里微球表面含有大约100 万个DNA 分子拷贝。测序时一个个核苷酸分子连续流过芯片微孔。如果核苷酸与特定微孔中的DNA 分子互补，则该核苷酸被合成到DNA 分子中，并且释放氢离子，该孔溶液的PH 发生变化。离子传感器检测到PH 变化后，即刻便从化学信息转变为数字电子信息。如果DNA 链含有两个相同的碱基，则记录电压信号是双倍的。
* |% `9 F) V3 f- Z, v/ w5 ~如果碱基不匹配，则无氢离子释放，也就没有电压信号的变化。这种方法属于直接检测DNA 的合成，因少了CCD 扫描，荧光激发等环节，几秒钟就可检测合成插入的碱基，大大缩短了运行时间。3 _* u2 `6 I0 j2 c! x) C
Pacific Bioscience公司的PacBio RS
9 a* P/ i: _0 d该测序仪的工作原理是，将基因组的DNA断开成许多很小的片段，这些小DNA片段制成溶液后滴入测序仪内的金属薄片上，金属薄片中分布着3000个纳米级小孔，这些纳米孔的直径不到70纳米，被滴入薄片上后，小DNA片段会分散到不同的纳米孔中。每个纳米孔中涂有一种特殊的酶——DNA聚合酶，DNA聚合酶 的特性是，能够沿着DNA片段的双链结构游动，在游动的过程中将DNA片段的双链结构打开，分成两个片段，也可为某个DNA单链找到对应的片段，重新组合 在一起，科学家将DNA聚合酶的作用形象地比喻成衣服的拉链，可开可合。! v/ A' F1 M  A& [5 [( _+ [/ ?$ c2 ^
测序仪就是利用DNA聚合酶来“窃取人类的自然本性”的。一旦 DNA片段在纳米孔中分散完毕，向聚合酶分子滴入经过特殊处理的核苷酸溶液，谜底就会被揭开。核苷酸溶液中的每个核苷酸都用磷光染色剂做过标记，金属薄片 的底部也有一个缩微版光谱仪，一旦DNA片段中有核苷酸与之配对，标记物就会发出特定颜色的光，缩微版光谱仪就能检测并记录下这些闪光，测序仪从而记录下 每个DNA片段中的碱基对顺序。当闪光记录完之后，结果会输入计算机中，计算机破译出所有的DNA片段结果，并重新“组装”，让基因组恢复原样。
- ^$ ~4 ]) _+ _3 c1 k) IOxford Nanopore Technologies公司的纳米孔测序仪  X8 {5 C2 Y5 ^) w1 Z
该测序仪有望在2013年上市，其工作原理是，单条DNA链将穿过蛋白孔，而第二种蛋白质将控制穿过的速度。随着碱基穿过纳米孔，它们改变了电流，带来特定的碱基组合。在理想的情况下，人们会看到每个碱基的典型模式，但目前的仪器将产生碱基三联体特有的模式，还需要通过计算机去卷积。
# l8 G, o- Z6 N8 {# DOxford Nanopore Technologies公司在2012基因组生物学技术进展年会（AGBT）上宣布推出第一款商业化的纳米孔测序仪，引起了科学界的极大关注。纳米孔测序的读长很长，大约在几十kb，甚至100 kb；错误率目前介于1%至4%，且是随机错误，而不是聚集在读取的两端；数据可实时读取；通量很高（GridION有望在一天内以30倍覆盖度测序人类基因组）；起始DNA在测序过程中不被破坏；以及样品制备简单又便宜。4 C. y3 V: s! m' r7 E3 _1 W" P. {
了解更多：$ W2 ^5 E0 C  Q4 l
12 Disruptive Technologies That Are Changing The World: c, ^% s( L5 T1 O7 O/ W
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