华大基因（BGI）于1999年9月9日因成承担1%人类基因组计划而成立，即将迎来19岁生日。
当初，促使其成立的人类基因组计划（HGP），已于2003年正式宣告完成。作为20世纪影响最大的自然科学研究计划之一，人类基因组计划其影响仍在继续。基因组学已经发展成为一门科学，我们开始从全基因组规模、核苷酸水平的全新广度与深度来研究生物科学。
工欲善其事、必先利其器。DNA测序是基因组学的核心技术，也是现代生命科学应用最广泛的技术之一。1977年，沃特·吉尔伯特（Walter Gilbert）等在PNAS上发表了化学降解测序法。同一年，弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）也在PNAS上发表了双脱氧核苷酸末段终止法（该方法后来成为当DNA测序的首选技术，被称为Sanger 测序）、并在当年解析了噬菌体 ϕX174的全基因组序列（这也是人类解读的第一个完整的生物的基因组全序列）。此后，在HGP、基因组学以及其他“组学”推动下，测序技术得到了日新月异的发展。
基因测序仪不仅用于科研，也正在成为精准医学的重要工具（一些测序仪已经进入临床，参见文后附表）。如今，借助一台NGS测序仪，几名稍有基础的医学检验人员，便可在几天时间内完成一个孕妇的无创产前检测（NIPT）。
在测序技术与工具不断推陈出新的同时，测序仪公司也在这一波波的浪潮中经历发展与变迁，其中一些与时俱进并日益壮大，另一些在经历短暂辉煌后渐行渐远、乃至消声匿迹，与此同时，一些新成员也在陆续加入，为行业带来新的思路与活力。
在华大成立19年之际，想聊聊那些我们曾经打过交道的测序仪公司、使用过的测序仪，这其中也贯穿着基因测序技术发展的大致脉络。这次不谈技术，只回顾往事，致敬前人并展望未来。
一、ABI 、Life Technologies 、Thermo Fisher Scientific
主要标签：第一台商品化的平板电泳全自动测序仪、毛细管凝胶电泳测序仪、人类基因组测定、NGS测序仪、量产临床级别测序仪
上世纪80年代早期，加州理工学院的Leroy Hood（4P医学的创导者）发明了四色荧光标记，使得一条电泳道可以分析一个标本的四种测序反应产物，显著提高了测序反应效率。基于这一技术，美国应用生物系统公司（Applied biosystems Inc，简称ABI，成立于1981年）于1986年推出了第一台商品化的平板电泳全自动测序仪ABI 370A。现在来看，当时的“全自动”其实是半自动，因为测序的主要步骤如制胶与加样，还需要手工完成。
随后，ABI开发了毛细管凝胶电泳技术，并于90年代早期推出了ABI Prism 310、3100等机型。1998年，其推出的ABI Prism 3700毛细管测序仪则真正实现了测序规模化。2000年，著名学者Craig Wenter利用这一平台独立完成了人力基因组的测定，ABI因此名声大噪。此后，在ABI 3700基础上的发展出3730，至今仍是一代测序的主力机型，也是用于验证其他新测序设备所发现变异是否准确的金标准。
2000年后，大规模并行测序技术使测序进入高通量时代，NGS新一代测序系统问世了。在NGS问世初期，ABI推出的SOLiD 曾一度与454、 Solexa/ Illumina 形成三足鼎立的局面。SOLiD所采用的是基于DNA连接反应的测序，由于技术复杂、测序稳定性不佳等因素，已经停产。
2008年， ABI 与Invitrogen合并，成立了Life Technologies。后者在2010年、2012年推出了半导体测序仪Ion Torrent和Ion Proton，取得了不错的效果，算是在NGS竞争中扳回一局。
2014年，Life Technologies 又被 Thermo Fisher Scientific Corporation（赛默飞世尔） 以136亿美元收购。Thermo Fisher Scientific可以量产临床级别的测序仪。目前，在我国取得医疗器械资质的基因测序仪中，就有基于Ion Proton的测序平台（见附表1、2）。
二、Molecular Dynamics 、Pharmacia /Amersham 、GE
主要标签：第一代自动化测序仪、毛细管电泳测序仪、人类基因组测定
人类基因组计划（HGP）主要的测序工作，除了ABI 3700型测序仪，还有美国Molecular Dynamics 公司于1997年推出的测序仪MegaBACE1000。这款测序仪与ABI 3700在原理、自动化程度和通量方面都比较相似，但性价比更高，是人类基因组计划成功实施的重要机型。
1998年，Molecular Dynamics被英国公司安玛西亚（Amersham）收购。2004年，后者又被美国通用电气公司（GE）收购，成为GE医疗集团的一部分。期间，MegaBACE型号由1000升级为4000，毛细管数量增加到了384道，随后推出了略有改进的4500 。在与ABI的竞争中，MegaBACE测序仪后劲不足，已经谢幕。
一些朋友可能还记得法玛西亚（Pharmacia）这家公司。1997年，这家瑞典公司与安玛西亚合并，改名为安玛西亚-法玛西亚生物技术公司。法玛西亚这个名字在2001年之后不再使用。在ABI推出第一台平板电泳全自动测序仪的同时期，Pharmacia 也推出过第一代自动化测序仪ALF（全自动激光荧光DNA测序系统），由欧洲分子生物学实验室（EMBL）的Wilhelm Ansorge发明。
三、454 Life Sciences 与Roche
主要标签：第一个商品化的NGS平台
454 生命科学公司（454 Life Sciences ，隶属于CuraGen集团）于2005年推出的GS20测序仪，是第一个商品化的NGS平台，其测序反应采用的是焦磷酸测序法。454是当时在CuraGen的项目代码，数字本身并无实际意义。
454测序仪在刚刚问世时，势头强劲，2005年曾获得华尔街杂志当年的生物技术医药类的创新金奖。
2007年3月，有着百年历史的老牌公司罗氏（Hoffmann-La Roche）旗下的罗氏诊断（Roche Diagnostics）以1.55亿美元收购了454 生命科学公司。同年5月，454 发表了DNA双螺旋结果发现人之一的James Watson的个人基因组测序结果。尽管生而灿烂，后又迈入豪门，由于在454测序系统在通量、准确性、以及成本等方面缺乏竞争力，罗氏于2013年关闭454的测序业务， 454测序仪于2016年退出测序舞台。
这并不意味着罗氏将放弃测序仪领域。2013年，罗氏诊断与单分子测序公司PacBio与达成合作意向，不过这一合作已于2017年初终止。2014年，罗氏收购了纳米孔测序公司Genia Technologies。考虑到罗氏自身在分子诊断以及测序解决方案领域已积累的不俗实力，未来在测序仪领域或可卷土重来。
四、Lynx、Solexa与Illumina
主要标签：最为成功的NGS公司、可量产临床级别测序仪
Solexa与Illumina 均成立于1998年。Solexa公司采用可逆末端终止法进行固相边合成边测序的技术来自剑桥大学。2005年，Solexa反向收购Lynx Therapeutics，并借助其能力将其技术转化为商业化测序仪。2007年，Illumina完成了对 Solexa的收购，进入基因组测序仪研发制造领域，并凭借其测序系统的出色性能 ，在NGS之争中完胜ABI和454，成为最为强劲的成员。
Solexa/Illumina的第一代测序仪Genome Analyzer，于2006年面世，能够在单次运行内测序1 Gb的数据。在随后的几年中，Illumina陆续推出了HiSeq、MiSeq、MiniSeq、NextSeq以及适用于超大规模测序的HiSeq X Ten、NovaSeq等系列机型，以满足不同测序规模与应用的需求。
相比前几家公司，Illumina的测序仪业务并不是最早开展的，但其在基因组领域也绝非新面孔。早期的微珠芯片SNP基因分型系统曾在HapMap 计划中受到欢迎，北京华大在HapMap 中国卷工作中就使用过这一系统。经过自身技术积累与商业收购，这家美国公司目前已经成为基因组技术领域最为重要提供者，占据了全球测序仪器市场超过70%的份额。
2010年后，Illumina在临床诊断领域日渐活跃，目前的实力可量产临床级别的测序仪。2013年，Illumina 收购了NIPT公司Verinata Health，加强其在生育健康领域的能力布局。2015年，又将Grail剥离出来，以聚焦于癌症血液检测。这些临床检测无疑都将使用Illumina测序仪。这家公司的MiSeqDx测序仪也已获得我国进口医疗器械的文号。此外，我国有几款取得医疗器械资质的基因测序仪中，就有基于Illumina测序仪的产品，尽管如此，仍属于国产医疗器械。
五、华大基因（BGI）与华大智造（MGI）
主要标签：从基因组研究拓展到自主化测序仪研发制造、可量产临床级别测序仪
华大基因于1999年因人类基因组计划而成立，此后一直致力于人类、动植物、微生物基因组测序与研究，参与、发起了不少有影响力的基因组项目。
在早期基因组项目中，作为基因组研究核心工具的基因测序仪，却只能依赖进口，不仅设备投入大，试剂耗材费用高、后续维护更加令人头痛。拥有自主可控的核心工具和平台，拥有立足于基因组领域领先位置的核心竞争力，也就成为华大智造的重要目标。华大在2013年收购美国上市公司Complete Genomics（简称CG），获取了核心技术，并以此为契机研发制造自主可控的全贯穿组学技术平台，测序仪其重要内容。
2014年6月30日，CFDA批准了主要用于检测胎儿染色体非整倍体首个NGS 测序仪就来自华大。经过几年努力，华大智造陆续推出了几款新的NGS仪与配套设备，其中BGISEQ-50、MGISEQ-200以及MGISEQ-2000，已经获得医疗器械注册许可，与CFDA批准的体外诊断试剂及软件配合用于临床检测。
六、新型测序仪代表：Helicos BioSciences、Pacific Biosciences、Oxford Nanopore Technologies
测序技术发展并未定下脚步，纳米、芯片、微流控、光电、生化、计算机、精密加工等相关技术的发展，给测序技术带来新动力与新思路。部分新型技术已开始商业化推广，但尚达到NGS那样的规模，放在一起简要回顾下。
（1）Helicos BioSciences： 第一台真正的单分子测序仪
这家美国公司成立于2003年，其在2008年推出的HeliScope，可以说是在测序历史上第一台真正的单分子测序仪。该系统采用超敏感荧光检测，不再依赖扩增得到的分子簇来增强信号，但本质上还是基于合成的测序。2009年，斯坦福大学Stephen Quake（Helicos技术开发者与公司创始人之一），采用该测序仪完成了自身基因组的测序。相比已有技术，HeliScope的读长、通量和成本都不占显著优势。2012年底，Helicos正式提出申请破产保护。
（2）Pacific Biosciences（PacBio）：首个单分子实时测序系统
PacBio 于2004年成立， 推出了第一个实际应用单分子实时测序技术（SMRT）的测序系统，在合成反应过程中直接区别每个整合到新链上的荧光信号，而非在每一次合成反应的终点再进行检测。PacBio于2011年推出了第一个商业化设备PacBio RS，2013年推出升级版PacBio RS II，其在2015年推出Sequel，读长较RSII有了显著提升，虽存在较高的错误率，依然成为市场上三代测序最为主力的机型。
PacBio已开始尝试医学应用，在传染病疫情的病原体鉴定方面还有过两篇NEJM论文。2013年，PacBio与罗氏诊断达成意向，利用其SMRT技术开发诊断用的测序系统，不过这一合作已于2017年初终止。2014年，PacBio与荷兰分子诊断公司GenDx 合作，提供HLA测序服务。美国HudsonAlpha 生物技术研究所今年也将利用SEQUEL测序平台，用于NIH资助的儿童发育异常的研究与诊断工作。
（3）Oxford Nanopore Technologies：纳米孔测序、迷你测序仪
纳米孔技术被认为是测序技术的发展方向，主要根据核酸链模板分子通过纳米孔引起的信号变化进行实时测序，速度快、成本低。英国公司Oxford Nanopore成立于2005年，于2012年推出应用基于纳米孔技术的迷你型测序仪MinION（仅U盘大小，产量在40Gb左右，每秒可读取500个碱基），因其小巧的设计与便捷的操作，成功引起市场关注。
2016年，美国宇航员在国际空间站内利用MinION成功完成微重力条件下的DNA测序，这是MinION 最为人津津乐道的应用案例。在临床方面，已经有学者开始应用MinION进行无创产前检测的可行性研究。
七、小结
从上世纪70年代测序技术的发明，到80年代Sanger测序仪的问世、新世纪高通量测序仪的日渐普及、新型单分子测序仪的相继推出，测序技术与工具发展跨越四十余年时间，也映射出基因组学科与基因产业的发展历程。
风物长宜放眼量。在人类基因组计划框架图完成后，国际基因组科学家提出了在当时看来遥不可及的目标，即一千美元完成一个人类基因组测序。因为只有这样，测序技术才能够扫清经济上的障碍而服务医学健康、服务大众。今年一月份，华大基于自主测序平台BGISEQ-500，以600美元价格引领个人全基因组测序进入百元美元时代。在临床应用领域，华大智造跻身全球三家可以量产临床级别测序仪的公司之一，另外两家分别是来自美国的Illumina 与 Thermo Fisher Scientific。这反映了本土机构从依靠采购进口仪器设备，到自主开发仪器设备，创新科技范式，建立国际标准的发展路径。核心工具自主化，不仅有助于推动我国率先进入千元基因组时代，更可以为自身科研与医学应用保驾护航，形成长期可持续发展的优势。
主要参考资料：
1. 基因组学.杨焕明.北京：科学出版社,2016.10. ISBN: 978-7-03-049902-8
2. Ansorge WJ. Next-generation DNA sequencing techniques. N Biotechnol. 2009 Apr;25(4):195-203.
3. Sanger F. et al. (1977) DNA sequencing with chain-terminating inhibitors. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 74, 5463–5467.
4. Maxam, A.M. and Gilbert, W. (1977) A new method for sequencing DNA. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 74, 560–564.
5. Sanger F, et al. Nucleotide sequence of bacteriophage phi X174 DNA. Nature. 1977 Feb 24;265(5596):687-95.
6. https://www.genome.gov/11008124/