基因測序技術未來40年的發展展望

1977年，Science的兩篇論文描述了第一種用于確定DNA片段中化學堿基順序方法。而在這些文章發表之前，分子生物學家已經能夠排列片段。

四十年過去了，如今，DNA測序技術正以驚人的速度向前發展。在過去十年中，高通量測序技術使數據生成呈指數級增長態勢。 由此產生的大量數據在基礎生物學領域的應用已經產生了變革性的影響，從考古學、刑事調查到產前診斷、癌癥預后，DNA測序與數據分析已經滲透到了生物相關的多個行業。

未來40年基因測序會帶來什么？你想知道嗎？

10月11日，美國國立衛生研究院美國國家人類基因組研究所所長Eric D. Green，美國加州首席科學官Edward M. Rubin以及美國華盛頓大學醫學與基因組科學榮譽教授Maynard V. Olson在Nature聯合發表了一篇預測性文章，題為The future of DNA sequencing，勾勒出40年后的基因測序藍圖。

通常，預言者對于那些創新性技術的預測是錯誤的。在互聯網發展的早期，很少有人預測到電子郵件會風靡全球。同樣，華爾街的交易員和硅谷的投資者也都無法預見游戲、在線視頻流和社交媒體將主宰當今的網絡世界。

我們預計DNA測序技術的發展可能不會更好，我們的主要觀點是：未來DNA測序的發展趨勢將不會再由技術本身驅動，而是由應用程序與市場需求決定其最終的發展方向。

基因檢測市場需求

技術的改進可以增加或減少需求。 微軟聯合創始人比爾·蓋茨舉過的一個例子：更耐用的輪胎設計會使輪胎需求下降，終將導致輪胎行業蕭條。

我們認為DNA測序的發展將遵循計算和攝影的模式，而不是輪胎。 隨著更便宜和便利測序技術的普及，應用程序將會增加，DNA測序技術的應用需求也會隨之上升。隨著DNA測序突破研究市場的局限，進入臨床研究，消費和其他領域的現狀意味著“更多供應意味著更多需求”的規則將更加強烈的顯現出來。

基因測序成本變化

研究人員對DNA序列數據有著不可思議的需求。 在20世紀90年代，人們對人類基因組測序還望而生畏。現在，遺傳學家們希望為生物的每個發育階段，為健康和疾病的個體，甚至地球上每個人和每個組織的每一個細胞提供DNA序列。他們還希望獲得全面的基因表達模式。與此同時，考古學家們也開始通過DNA測序技術重建人類祖先的基因流動。分類學家，生態學家，微生物學家和進化生物學家正在尋求和分析所有生物物種（包括滅絕生物）甚至整個生態系統的基因組。

測序技術的瓶頸是分析和解釋所有的DNA序列數據。目前，解釋數據所需大部分基礎科學已經適用于日益增長的實踐應用。正如新的信息學方法和大量數據庫顯著改善了語言翻譯和圖像識別一樣，我們預測大量DNA序列數據庫與表型信息相結合將使研究人員能夠推斷基因組序列編碼的生物學功能，分析方法的飛速發展將幫助學術與產業領域的科學家更好地解讀DNA數據。

基因測序的應用轉化

多年來，DNA測序的平臺發生了巨大變化。 然而，其他技術的發展軌跡表明真正有價值的是最終應用，而不是新技術。

基因測序的價值會呈現在什么地方？

我們確信DNA測序真正具有轉化性的一個領域就是醫學。DNA測序技術已經在諸多方面達到了臨床應用的具體要求。

DNA測序的突破性臨床應用是產前檢測，例如染色體數量異常21三體導致的唐氏綜合癥。它被描述為“病史上發展最快的基因測試”，這是人類基因組計劃沒有想到的。事實上，科學家估計全世界每年大約有四百萬到六百萬孕婦正在通過外周血游離DNA對胎兒的21三體綜合征進行診斷，而十年之內，這個數字將超過1500萬。一些測試指標使DNA測序在未來許多初級保健中的應用成為可能，因為它是非侵入性的，易于操作，并且對核苷酸級精確度的要求較低。

在高收入國家，基因組測序已廣泛用于多種疾病的產前診斷。所得序列的分析可以揭示大約30％的致病突變，這一數字只會隨著解讀數據能力的成熟而上升。在某些情況下，由此產生的診斷顯著改善了臨床管理，惠及家庭和醫生。

在腫瘤學領域，最近幾年，液體活檢已經成為了腫瘤相關學術，產業以及投資界的新寵。基于DNA測序的液體活檢被認為正逐步發展為癌癥診斷與預后評估的標準方法，能夠在可知的時間內逐步補充甚至取代傳統的創傷性癌癥診斷技術。

“彩帶”DNA

同樣，手持DNA測序儀等設備的開發也使得流行病學家甚至能夠在最為偏遠的地區高效完成對人類樣本，動物以及昆蟲病原載體甚至是空氣，水，食物的基因檢測。

流行病學家和公共衛生專家也開始討論如何通過對城市垃圾中微生物的DNA測序輔助傳染性疾病的預防與控制。海洋生物學家也正在通過宏基因組學技術來對海洋的生態健康進行監測與研究。

在法醫領域，便攜式DNA測序儀可以將DNA分析帶出法醫實驗室，使其成為一線警務工作人員的隨身工具，幫助警方即使通過DNA監測確定嫌疑人，發展成為諸如酒精探測器一類的便捷工具。

愈加便捷和廉價的DNA測序工具所開辟了大規模監視可能性，已經引起了人權團體的廣泛關注。在人們的家里，DNA測序設備或許也可以成為下一個“智能”或“連接”設備，一些評論者甚至認定廁所是通過實時DNA測序監測家庭成員健康的理想場所。

基因測序技術的“絆腳石”

什么是DNA測序技術發展最大的絆腳石？

在僅僅40年的時間里，細胞分子數據實際應用的核心目標就轉變為對元信息解讀的挑戰。

DNA測序數據可能很快將在常規臨床中應用。但是，這需要提供大量關于百萬人的多年醫療史的數據庫才能滿足臨床對元信息解讀的巨大需求，以確定何時忽略這些數據何時采取措施。

在這一領域，許多國家和組織都在進行著積極的工作，其中包括美國國家精準醫學研究委員會，美國全美研究計劃和歐洲生物銀行等。

在這里我們給出了最好的猜測。事實上，在未來的幾十年里，我們認為世界上大部分數據（存儲于硬盤或云端）都可以存儲在DNA中，驅動我們追求DNA測序的也不再僅僅是解碼疾病，而是讀取信息。

基因測序未來有無限的發展可能，是未來最有發展潛力的市場。未來40年基因測序的發展將給我們帶來更多的驚喜，也會有更多的人從中受益。