无字天书

基因的复杂结构令人着迷，四种碱基两两配对，组成DNA双链螺旋结构，特定的碱基序列形成了生命的基因密码。通过破译DNA这部无字天书，我们才能了解世间万物和自身生、老、病、死的全部秘密。

RNA与DNA结构图，图源：Wikipedia
 

以人类为例，要测定多达60亿对碱基的完整序列，所需甚费。历史上，人们曾集合6个国家，20所大学/科研中心的科研团队，自1990年起，耗时13年，花费30亿美元才完成“人类基因组计划”（Human Genome Project, HGP）。

2003年4月，“人类基因组计划”宣布完成，但收尾工作陆陆续续持续到2005年。2006年，人们使用同样的技术制造出一款“基因测序仪”（由ABI公司生产），人类全基因组测序的成本直接降到了1000万~1500万美元^[10]。

就在这款测序仪公布后的第二年，科学家们利用了另外一种新技术，再次为人类基因做全基因组测序，新项目只用了4个月，花费仅有近150万美元。

为了这次突飞猛进的技术进步，人们特意举办了一场发布会——2007年5月31日的发布会上，诺贝尔奖得主、DNA双螺旋结构的发现者之一詹姆斯·沃森接受了一份特殊的礼物：一张写有他个人全部DNA信息的DVD光盘——沃森，正是为这次新技术牛刀小试的血样提供者。

这张光盘所容纳的基因信息，全部由一家名为“454 Life Science”的公司来完成^[11][12]。

从13年到4个月，30亿美元到150万美元，效率和费用差距背后是技术的进步。

“人类基因组计划”使用的是第一代技术：桑格测序法（Sanger sequencing），而454公司则使用了第二代测序技术（基于“焦磷酸测序法”），省钱省力。

基因测序技术演进图，制图丨放大灯团队

省钱之余，454公司可谓一箭双雕。

由于沃森是DNA双螺旋结构的共同发现者，1967年诺贝尔生理或医学奖获得者，同时还是冷泉港实验室名誉主席，454公司充分利用了这个名人IP。一方面使用沃森的名字（James Dewey Watson），为项目取名“吉姆计划”（“Project Jim”），打通了商业与科研；另一方面，通过全基因组测序，让当事人沃森做其新技术背书，这是花多少公关与市场费用都难以达到的效果。

所以“吉姆计划”的本质，不过是454公司为新款测序仪产品做的技术秀。

诺奖得主参与的技术秀

454公司创始人罗森伯格，这个兼具技术与商业思维的天才，为了让这场炒作更广为人知，首先想到的合作对象，就是DNA双螺旋结构发现者之一、诺奖获得者和时任冷泉港实验室名誉主席詹姆斯·沃森。

面对“首个为二代测序技术贡献完整基因组”的身份与名誉的双重诱惑，沃森没有拒绝，只是提出一个附加条件：不要公布他的某些遗传病基因。

可令454公司万万没想到的是，大嘴巴沃森“第二天就找《纽约时报》记者爆了料”^[14]。

科技史插曲：一代测序技术竞争期间，“人类基因组计划”的完整基因由多个匿名人士拼齐，塞雷拉公司（Celera Genomics）的基因样品则来自其前总裁克雷格·文特尔（J. Craig Venter）捐献。

《纽约时报》记者闻风而动，赶到位于长岛的冷泉港实验室想一探究竟。但并没有什么神奇高端的科幻场景，作者看到了实验人员使用的454公司生产的旧款二代基因测序仪（GS 20），并用略显惊讶、同时又嫌弃的语气描述道：“像巨大的洗衣机和iPod的混合体，每台价值50万美元，还不包括软件平台”^[10]。

但在2006年，这台怪兽机器还只能给大肠杆菌之类的微生物做基因测序，还不足以完成人类基因组测序^[14]。人类基因组数据量太大了，这款早期二代测序仪可怜的处理能力会“消化不良”，导致吞吐量过小、错误率过高等问题。

也是在这一年，454的竞争对手Solexa推出了一款二代基因测序仪，并放言也要进行人类全基因测序，《纽约时报》甚至已曝出了基因样本的捐献者身份：一位尼日利亚匿名男子^[10]。

出人意料的是，2006年还在争锋的454和Solexa，次年就双双委身于人——2007年1月，Solexa被生物科技公司Illumina（该公司在2019年终于有了个中文名字：因美纳）拿下，而454则在当年3月被巨头罗氏诊断收入囊中。

被罗氏收购后的454公司，使用其新款测序仪GS FLX，为沃森做了全基因测序，并在2007年5月为此举行了声势浩大的发布会——此时距离罗氏收购454公司刚过去两个月。

因沃森而备受关注的454公司的明星测序仪GS FLX，是“高通量测序”或“下一代测序”（NextGeneration Sequencing，NGS）技术的早期代表，可同时对上万甚至百万条基因片段实现“大规模并行测序”，在提高效率和大大降低成本的同时，依旧能保证测序的精准度。

454的测序仪基于“焦磷酸测序法”，该法的原理于1996年提出^[15]，是“非桑格测序法”的重要代表。简单地说，其原理本质是：先将单链DNA与各种酶共同孵化后，通过一系列酶化学反应，释放能量，促使荧光素的合成，并释放可见光。镜头和感光元件检测后通过捕捉光信号来确定互补链的序列信息。
 

454测序仪的测序流程，基于焦磷酸测序法。图源丨Wikipedia，by Density Design Research Lab

宿敌与新患

小而美的创新技术公司固然性感，但世界终究还是巨头们的。基因测序仪市场之争，陡然升级为Illumina和罗氏之间的技术对决。

测序技术的优劣，直接决定测序仪的市场成败。那么，决定测序技术的关键因素有哪些？

• 测序长度：即读长，以碱基对（base pair, bp）的数量为单位，通常情况下bp数字越大表明读长能力越好，即每次可以读取更长的碱基序列片段。桑格测序法虽然原始，但读长范围可达到800bp，以Illumina为代表的二代测序法读长则为50~300bp，454的读长可以达到700bp；

• 测序片段数量：单次测序片段数量越多越好。454的单次测序片段数量最多为100万，而Illumina的边合成边测序一次可测30亿片段。

• 测序速度：同等数量和精度情况下，测序速度当然越快越好；

• 测序成本：通常按每百万碱基对（Mbp）的成本来衡量，桑格测序法的成本为2400美元/Mbp，454公司将成本降至10美元/Mbp，而Illumina的测序成本则降至0.05美元/Mbp。

454公司嫁入豪门之后，一度备受荣宠。生意遍及全世界的罗氏，甚至还在生化灾难主题的好莱坞电影中，为454公司的测序仪做了广告植入。

《传染病》（Contagion，2011）剧照，454的测序仪曾在该片中露出
 

Illumina 测序仪的读长远不如454测序仪（300bp VS 700bp），但这条短板被单次测序数量（30亿 VS 100万）与成本（0.05美元/MbpVS 10美元/Mbp）补上了。这导致对手454极为被动：在被罗氏收购后，因产品价格过高，技不如人，导致节节败退。

Illumina测序仪原理：

• 第一步，将DNA切成300bp左右的片段，并用特有接头，将其首尾相连（即构建文库）；

• 第二步，通过扩增仪将每个待测片段复制成1000个左右的复制片段（即桥式扩增）；

• 第三步，加入四种荧光dNTP，分别标记四种碱基类型，发出不同的荧光，使用激光扫描荧光信号后得出碱基的类型和次序（即测序的核心过程）；

• 第四步，洗去dNTP的荧光基团，进入下一个测序反应。

454的失势令罗氏开始认真考虑后路，比如收购新公司。首要目标当然是市场风头正健的对手Illumina公司。

2011年12月13日，罗氏向SEC提交收购Illumina的申请，但收购谈判破裂。

2012年1月25日，罗氏在官网挂出了收购声明，还附上了给Illumina CEO的一封公开信。谈判细节由此得以大白于世^[16]：

双方谈判已有数周之久。罗氏最初出价为每股44.5美元，总价57亿美元，全现金收购。相比市场传言那天的股价溢价高达64%（比过去三个月均价溢价43%）；

罗氏打算保留Illumina品牌与团队，甚至提出要把罗氏的应用科学业务与之合并，并将该业务部门总部迁至Illumina所在的加州圣迭戈；

虽然罗氏给出了优厚条件，但Illumina董事会对该交易兴趣缺缺。

溢价如此之高，傲娇的Illumina还是“一直不愿就此进行任何有意义的对话”，罗氏理所当然地认为，对方缺乏谈判诚意。于是做了一个更激进的决定：将聘请格林希尔事务所和花旗全球公司做财务顾问，立即展开敌意收购。罗氏甚至已经开始规划收购后的蓝图：

“鉴于贵公司董事会的反应，我们计划提名一批董事，并在Illumina的2012年年会上提出一些其他建议，供股东考虑。如果这些建议被采纳，将会产生由罗氏提名的人选，列席贵公司董事会的多数董事席位。”

在随后展开的敌意收购行动中，罗氏报价从每股44.5美元升至每股51美元，总价膨胀至67亿~68亿美元，但三个月后，敌意收购也被Illumina股东大会击退^[17]。

罗氏原本寄希望于Illumina的董事会成员会在自己的压力下发生变动，但事与愿违，2012年4月，罗氏宣布，鉴于Illumina董事可能在股东大会上连任，所以放弃收购。消息一出，罗氏股价上涨，而Illumina股价下跌。

首家二代基因测序仪公司454未能占领市场，加上收购Illumina未果，罗氏在二代测序仪市场接连受挫。

事已至此，还有谁能对抗Illumina？可能还得454公司……的创始人出马。

被罗氏收购后，454公司创始人乔纳森·罗森伯格出走，并成立了一家新的基因测序仪公司Ion Torrent，从一家名为DNA Electronic公司取得授权，于2010年推出世界上第一台半导体测序仪。

Ion的基因测序仪是基于流体、微体系机械和半导体组合而成，其工作原理是：先将DNA链固定在半导体芯片的微孔，然后依次加入碱基，在每个碱基加入时，仪器释放氢离子，使碱基在穿过微孔时被芯片检测到其类型和次序。该技术基于半导体芯片技术检测pH值，无需激光、照相机和荧光标记，故测序仪成本较低。

你大概可以将这类测序仪理解成一台安检门，能根据四种不同人的体型发出不同的“声音”，人经过该门时，后台可以通过“声调”的高低和次序来依次记录其类型，实现测序目的。

2010年，Ion作价7.2亿美元卖身Life Tech，后者由Invitrogen和ABI公司合并而成（有趣的是，ABI就是生产第一代测序仪的公司）；4年后，Life Tech也以136亿美元卖身科学仪器制造商赛默飞世尔（Thermo Fisher Scientific），后者由此集合三家测序技术于一身，一跃成为第二大基因测序仪生产商。

但这段蜜月期很短。