新型基因机器的灵魂

这是当代医学里价值极高的一个问题: 特定的（比如你的）人类 DNA中是否存在研究人员已知或怀疑与疾病有关的某种生物变异？有许多公司在寻找答案，其中一家是圣迭戈的生物技术公司 Illumina。在它的实验室里，许多高性能机器─它们有个古怪的名字“Oligator”─把合成出无数个被称作寡核苷酸的 DNA 单股短片断。大多数寡核苷酸的长度只有 17 纳米左右，但每一个寡核苷酸中所包含的信息都与人类 DNA 的 30 亿个螺旋硷基对的某一对完全一致。因此，每个寡核苷酸都可能解答那道价值极高的问题。在它里面可能蕴藏著延年益寿的信息。

对 Illumina 公司首席执行官杰伊•弗拉特利（Jay Flatley）来说，寡核苷酸还是造富的原料。它们也是 Illumina 公司 DNA 微阵列（即通常所说的基因芯片）的关键元件。它们是量产的一次性元件，正像计算机芯片推动信息技术革命那样推动著生命科学的革命。基因芯片有大有小，大到平装书，小到书签，为科学家和药物研发公司揭开遗传之谜提供了低成本但却是最得力、最灵感的工具。在暗示这一业务可能达到的市场规模时，弗拉特利说了这样一句话: “我们希望，有朝一日，人在刚出生时就能确定其基因型。”

52 岁的弗拉特利一点也不像个科学疯子，他是芝加哥人，性格恬静，满头银发，拥有经济学和工业自动化两个专业的学位。弗拉特利非常喜欢向人们炫耀 Illumina 的工厂，尽管它很难称得上是工厂。事实上，那儿更像是实验室，1,858 平方米的房子里灯火通明，室内到处都是寡核苷酸、基因芯片组装机、芯片扫描仪以及数据处理设备。弗拉特利自豪地指出，这间厂房规模小，成本低。“在同行中，我们的制造成本最低。”他说，这个工厂仅耗费 500 万美元资金，相当值得。Illumina 巧妙地运用了纳米技术中的自行组装法，所以只需不多的员工就可运行设备，由此简化了芯片制造，降低了成本。

2003 年人类基因组排序完成后，已经为六家公司所利用，Illumina 便是其中之一。这些公司竞相开发新技术，引领我们凭借这个历史性的成就进入个人化医学时代。届时，我们可以根据人类的基因特性诊断、治疗甚至是预防疾病。不过，这一切还只是梦想。今天的个人化医学大多仍处于研究阶段，科学家还在通过基因芯片来探究遗传的作用方式和它在维持健康和导致疾病中起到的作用。这是一个年销售额达 10 亿美元的市场，而且规模还在以每年 15% 的速度不断增长。这类研究最新的一个例子，是计划中的人类癌症基因组项目（Human Cancer Genome Project），该项目历时九年、耗资 13.5 亿美元，许多研究机构的研究人员将在此对数千个癌症样本和健康组织的基因排序进行比较，以确定产生疾病的基因变异。

基因芯片在药物开发以及新生的药物拯救领域中也发挥了重要作用。你的家庭医生也触手可及基因芯片分析所带来的便捷。罗氏诊断公司（Roche Diagnostics）生产的 AmpliChip 芯片最近获得了美国食品与药物管理局（FDA）的批准。这种饼干大小的装置售价 525 美元，它能预测人体对治疗心脏病、抑郁症和其他疾病的处方药的代谢能力。药物实验室将用它来帮助医生确定疗效最佳的药物及用药剂量。

Illumina 与行业先锋 Affymetrix 展开了激烈竞争，其他竞争对手还有安捷伦科技公司（Agilent Technologies）、通用电气医疗部门（GE Healthcare）、Nanogen、NimbleGen Systems、ParAllele BioScience 和 Perlegen Sciences。Affymetrix 是该行业的领袖。这家拥有 13 年历史的公司从 2003 年开始盈利，去年的净收入为 4,800 万美元，营业额达 3.46 亿美元。Illumina 去年的营业额为 5,100 万美元，亏损 620 万，但公司预计今年将实现盈利。

由于目前没有哪家公司知道创建基因芯片的最佳途径，因此这个快速发展的行业还没分出三六九等。像达尔文进化论的物种竞争说一样，谁能以最低的成本解决好数亿个细小的问题，谁就将获胜。技术发展极为迅猛，今天的领军企业很可能会被拥有出色创新技术的行业新秀所击败。

47 岁的约翰•施蒂尔普纳格尔（John Stuelpnagel）正是凭借这股创新精神创建了 Illumina 公司，他从兽医转行成为生物技术风险资本家，现任公司的首席运营官。20 世纪 90 年代末，施蒂尔普纳格尔对 Affymetrix 公司最早在基因芯片领域展开的开拓行动产生了浓厚兴趣。Affymetrix 利用照相平版印刷术艰难地在石英晶片上安装寡核苷酸，一次安装一个化学单元，这类似于计算机芯片生产商的工艺。但是，施蒂尔普纳格尔从塔夫斯大学（Tufts University）一位化学教授研究出的一种替代方法中捕捉到了机遇。1998 年，他申请到了此方法的使用权，并创建了 Illumina 公司。

几个月后，弗拉特利拜访了 Illumina 公司。“这是一项非凡的技术，”他说。“我立即爱上了它。”作为一名资深的行业带头人，弗拉特利是分子动力公司（Molecular Dynamics）的创始人之一，同时也是公司的首席执行官，人类基因组项目（Human Genome Project）使用的 DNA 定序器便是该公司生产的。不久前，通用电气的医疗部门收购了分子动力公司。“这次收购交易还没让我富到不再工作的地步，”弗拉特利说。所以，当施蒂尔普纳格尔问他是否愿意管理 Illumina 时，他欣然应允。

弗拉特利明白，在这个行业里，速度就是一切。到 2003 年，Illumina 已经开始生产、推销早期的芯片产品; 在此之前，Illumina 甚至已经利用技术发展的黄金期成功实现了首次公募，并筹集到 1 亿美元资金。弗拉特利说，Illumina 借助这笔资金迅速壮大，并在随后出现的技术衰退中顽强地生存了下来，在此期间许多新创公司惨遭淘汰。以每股 16 美元上市的 Illumina 股票曾经跌至 1.8 美元，最近公司的股价达到了 8.5 美元。目前，公司仍需筹集约 5,000 万美元资金。

弗拉特利爱上的究竟是哪项技术？Illumina 公司的巧妙设计是这样的: 首先，把数十万个寡核苷酸（即亚微观的生物学传感器）集中到极微小的玻璃珠上。这些玻璃珠非常小，数十个放在一起才相当于本句话末尾的句点那么大。用高倍显微镜放大后，这些微珠看上去就像毛绒绒的网球。Illumina 生产了数百批微珠，每批微珠上附有一种不同的寡核苷酸，这种寡核苷酸会寻找并锁定 DNA 样本中某个具体的序列。

其次，Illumina 把这些微珠混合在一起，形成一个“容器”，随后在容器中插入若干束极微小的光纤（具体过程请参见“如何生产基因芯片”的图解）。五万根光纤组成一束，每根光纤的末梢有一个用化学方法蚀刻的小开口; 当光纤接触到由微珠组成的容器时，光纤会拾起一粒微珠并用末端的开口牢牢夹住它。经过这番处理后，公司把这些光纤束组装成书本大小的芯片平台。

每个微珠装在什么位置并不重要，由于 Illumina 让微珠在纤维上“自行组装”，因此公司不必再为准确布置大量的微小部件而耗费气力，从而节约了大量成本。与其他公司不同的是，Illumina 采用了一种创造性的“解码”流程，当微珠进入自己的位置后，激光会扫描纤维束，以确认每个玻璃纤维的末端都有一个寡核苷酸。整个过程就好像在高空飞行的飞机里逐个确认地面人群中的每一个人，这的确是项了不起的技术。最后，所有寡核苷酸芯片可以绘成一张独特的图纸，公司把图纸存储在光盘里，并把它与芯片一起送交顾客。凭借这些微珠，Illumina 的产品具有惊人的分析能力: 公司的旗舰级产品─Sentrix Array Matrix 中有近 50 万个寡核苷酸珠同时开展侦察工作，因此这种产品也是许多基因组实验室里广泛应用的设备。

客户把微珠芯片插入经过特殊处理的 DNA 样本后，便可展开所有工作。当 DNA 样本浸湿微珠后，每个寡核苷酸都开始执行自己的侦察任务─寻找独一无二的 DNA 序列组。如果有这样的序列组存在，寡核酸将通过化学方法与之捆绑在一起。随后，当一束强激光扫描整个芯片时，与序列组捆绑的寡核酸将会亮起; 如果不存在这样的序列组，寡核酸就不会发亮。整个芯片上不断闪烁的微小亮光构成了一个图形，从中可以得出一连串有关被检测的 DNA 样本的信息。未来的某一天，这些灯光图形可能会明确地解答出那些价值数百万美元的难题，即感染疾病的个体性。

在这项技术的帮助下，Illumina 击败了竞争对手，成为人类基因组项目最主要的基因芯片供应商，这个被称为“国际单体型测绘计划”（International HapMap Project）[人们根据一种名为单倍型（haplotypes）的块状 DNA 想出了这个名字] 的项目由六个国家发起，拥有 1 亿美元的后续研发资金。这个项目的宗旨是解决基因科学发展的重大开支障碍和实践障碍。人类基因组项目创造了知识领域的珠穆朗玛峰，巍峨壮丽的山峰固然令人赞叹，但是攀登这座山峰必须付出巨大代价，更重要的是，这座山峰很难驯服。尽管今天的技术发展日新月异，但按照目前的估价，为某个人的基因组进行排序的成本仍然在 1,000 万美元左右，这是个让人望而生畏的价格。在医生把基因组学当作日常技术用来为每个病人治病之前，科学家必须把基因知识提炼为可以广泛应用的普及性技术。

HapMap 项目的目标，就是找出完成这项工作的捷径。从基因的角度来看，任意两个人最多只可能有 99.9% 的基因是相同的。而我们的独特性，我们对疾病的敏感性，以及我们对药物存留所产生的反应，全都来自剩余的 0.1% 的基因组中。因此，近些年来，科学家一直在利用 Illumina 公司的基因芯片详细检查个人 DNA 样本，以寻找可以说明问题的变异基因，即寡核苷酸多态性（single-nucleotide polymorphisms，即 SNPs），也有人称之为“snips”。SNP 在人类基因组中的位置，可以决定你的眼睛是棕色还是蓝色。很显然，这个作用没有任何意义，但它还可以充当指示疾病的风向标。利用 Illumina 公司的技术确定每个 SNP 的成本，已经从两年前的 50 多美分下降到了今天的两、三美分。但问题是，每个人身体里有近 1,000 万个 SNP，做一次彻底的分析仍然价格不菲。

在美国，国际单体型测绘计划主要由国家卫生研究学会（National Institutes of Health）资助，而且该项目将于今年结束，它利用一种独创的战略进一步削减了基因分析的成本。科学家发现，人类大部分的基因组都是以单倍型的形式组织在一起。这批 DNA 在人类繁衍过程中几乎不发生任何变化，从中找出一些具有鲜明特点的 SNP，就足以确认整个单倍型的特性。因此，我们只需几十万个“标志性 SNP”就能简单地总结出一个人的全部基因组特征，这个方法可以把每个人的基因分析成本降低至几千美元。如此低的分析成本，足以使全世界的研究人员开展各种比较研究。例如，用健康人的基因组与病人的基因组做比较。通过这样的研究，我们将对从何入手开发新药产生新的认识。在人类基因组项目计划中，弗朗西斯•柯林斯（Francis Collins）始终负责管理工作，他还是国家健康研究学会全国人类基因组研究所（National Human Genome Research Institute）的负责人，他说: “国际单体型测绘计划创建了一套最根本的变异基因。如果你已经了解到，某种基因的变异容易使某人患上某种疾病，那么这种基因变异就是你所能想象的最佳用药对象。”

Illumina 正在研制新型基因芯片，其中包括可以进行“基因表达概述”工作的芯片。这种芯片的任务就是在既定的时间段里探察出病人身体内哪些基因仍处于活跃状态，哪些基因已经停止活动。研究人员认为，这种芯片产生的信息对全面揭示健康与疾病的秘密至关重要。弗拉特利还在带领公司大举进军低端市场，即为药物研究和诊断提供 DNA 技术。今年 2 月，弗拉特利以价值 1,750 万美元的股票和债务保付收购了康涅狄格州专为此类应用软件提供技术的 CyVera 公司。这次收购使 Illumina 有能力在更广阔的产品范围内与 Affymetrix 以及其他对手展开竞争，从而极大地提高了 Illumina 在未来几十年内继续生存发展的几率。届时，每个人的医药箱里都会放有基因芯片。

译者: 萧艾