纳米孔测序的过去、现在和将来

1996 年哈佛大学的 Daniel Branton 、加州大学的 David Deamer 及其同事，在美国国家科学院院刊 PNAS 杂志上首次发表文章指出，可以用膜通道检测多核苷酸序列。然而从第一篇论文到纳米孔测序的成形，这条道路并不是一帆风顺的。研究者们产生了很多分歧，也遇到了大量的技术死胡同。

一个平凡的开始

利用纳米孔进行测序的理念是非常直观的：让 DNA 碱基一个个穿过纳米孔，同时快速鉴定每一个碱基。然而真正实施起来人们却遇到了很多问题。如何在碱基穿过的时候进行检测？ DNA 链穿过纳米孔时是否需要放慢速度？如何大量生成同样大小的纳米孔？

Deamer 和 Branton 最初的想法是，给持续开启的通道施加跨膜电压，把线性 DNA 或 RNA 链拉过纳米孔。这一过程会立刻改变纳米孔的离子流，对此加以检测就可以确定 DNA 或 RNA 的构成。然而，在这种情况下 DNA 穿过纳米孔的速度太快，难以进行有效检测。

进入二十一世纪之后，越来越多的研究者致力于解决这些问题，让纳米孔测序成为现实。“可以说是 NIH 的 $1000 基因组计划刺激了纳米孔测序的发展，” Oxford Nanpore 公司的创始人之一，牛津大学的 Hagan Bayley 最近撰文指出。

人们开始尝试改良纳米孔本身。天然的生物学通道（比如 alpha-hemolysin ）和开口小于 2nm 的人工纳米孔都可以用于纳米孔测序。研究者们发现，虽然人工纳米孔免去了和生物学材料打交道的麻烦，但大规模制造这么小的纳米孔实在太困难。最终，蛋白通道成为了纳米孔测序的主流。

真正实现商业化

2005 年， Bayley 、 Gordon Sanghera 和 Spike Wilcocks 创立的 Oxford Nanopore 公司正式登场。为了开发稳定可靠的纳米孔测序平台，该公司从 2007 年开始研发以蛋白为基础的纳米孔测序系统。 2012 年，该公司在 AGBT( 基因组生物学技术进展年会 ) 上发布了自己的纳米孔系统—— MinION 。

MinION 是首个 U 盘大小的纳米孔测序仪，价格在一千美元作用，一天能生成约 1Gb 数据。该系统发布之后很快引起了轰动，被许多人视为基因组测序的未来。然而直到 2014 年的 AGBT ，人们才首次看到 MinION 系统的实战表现。

Broad 研究所的 David Jaffe 在这次会议上展示了自己的 MinION 数据，他利用纳米孔测序的长读取来组装细菌基因组。研究显示，这个平台的平均读长大约在 5kb 左右，最长能达到 20kb 。对于这么小的装置来说，这种测序能力是相当令人震撼的。虽然 MinION 的总体序列质量和错误率受到了一些质疑，但仍然有很多研究者希望尝试这种迷你测序仪。

这一次，人们并没有等太久。 2014 年 Oxford Nanopore 公司启动了先期体验项目，研究者只需要提供一千美元的押金和相应的运费，就可以获得测序设备和一次性的流动槽，在自己的项目中尝试 MinION 系统。

2015 年初，先期体验项目的数据陆续发布出来。三月份， Exeter 大学的研究人员在 Biomolecular Detection and Quantification 杂志上发表文章，对 MinION 系统性能进行了评估。文章写到“作为首个基于纳米孔的商业化单分子测序仪， MinION 是很有前景的。然而，目前的错误率限制了它与现有测序技术竞争的能力。不过我们发现，