以牛津纳米孔为主的纳米孔测序技术逐渐获得了成功,但这并不是唯一一条利用纳米孔分析DNA或RNA的技术路线。
纳米孔分析核酸分子的本质都是利用纳米孔的小孔径来捕获并检测单个核酸链。这其中可能使用了不同的生物或固态或合成的孔,可能使用了不同的方式来介导核酸过孔,或使用不同的信号读出来识别碱基信息。
遗憾的是,这些纳米孔测序的替代解决方案,要不并未取得商业上可用,要不依然处于概念验证阶段,最终又衬托了ONT这种纳米孔测序路线的优越性。
在这里需要说明的是,本文不是一个全面的综述,由于一些公司并未推出相应产品,对于其技术的理解可能与公司实际在开发的路线有出入,请作谨慎参考。
ONT/齐碳/普译/华大序风/孔确/梅丽
这些公司都是一类的,都是酶引导核酸单链穿孔、读取所起引起的电信号的差异来进行序列分析。
因为ONT开发在前,有比较充足的专利保护,后来者需要在生化体系、生信算法及电子元器件设计等方面进行创新开发。
ONT-核酸外切酶测序
实际上,在ONT发展初期,核酸外切酶测序是与链测序并行推进的技术路线。
这背后的逻辑是,不同的2-脱氧核糖核酸苷5′-单磷酸盐(dNMPs)在穿过纳米孔时诱导不同的电信号特征。当单个dNMP被外切酶从DNA分子的一端切断,并在施加的电压下依次穿过纳米孔时,可以从电信号中获得目标DNA分子的序列信息。
而早在2006年的文章就证明了这种方法可以实现四个dNMP的平均检测精度为99.8%,以及通过工程α-HL纳米孔识别5-甲基-2′-脱氧胞嘧啶(5-mdC)的能力。之后,同样的方法也展示了对RNA进行测序和检测RNA尿嘧啶的可能性。
但ONT最终选择了链测序的技术路线开发,因而放弃了核酸外切酶测序的持续探索。
Genia/Axbio/今是
从技术原理上讲,这三家公司是一类的。
Genia在2014年被罗氏收购,其开发的技术路线为基于基于纳米标签的实时合成测序 (NanoTag-SBS)。纳米孔边合成边测序,今是称其为NSBS。
在该路线中,靠近蛋白质纳米孔(通常是 α-溶血素)入口的经过筛选的DNA聚合酶会催化合成与文库DNA 链互补的链,但使用的是特殊定制分子标签(Molecular Tag)的四种核苷酸,如携带不同大小的伽马磷酸标记聚乙二醇 (PEG) 链的三磷酸核苷酸。
核苷酸掺入新生 DNA 链会切断二磷酸-PEG 标签,从而会造成相应纳米孔产生特定的电阻抗变化,这种阻塞程度与四个标签和碱基的各自特征相符。通过分析这些电阻抗的变化,可以实时分析出待测目标分子的碱基序列。与所有其他纳米孔测序方法类似,纳米孔阵列的读出以高度并行的方式进行。
罗氏/Stratos Genomics
罗氏在2020年收购了Stratos Genomics,随后Stratos的扩展测序SBX成为罗氏纳米孔测序开发的基调。
SBX的核心在于X,意为eXpansion的缩写。Stratos Genomics 通过使用可扩展的三磷酸核苷进行 DNA 复制来生成替代链,这被称为 Xpandomers。四个核苷酸中的每一个都与一个环状报告基因相连,该报告基因至少比 DNA 的间距长 50 倍。环状线性报告基因通过其第一末端与核苷酸的 α-磷酸盐相连,通过第二末端与核碱基相连。因此,新生成的 Xpandomer 类似于每个核苷酸上都连有长环的 DNA 链。在测序时,核苷酸在 α-磷酸盐和核苷之间被切割,以将环状结构转化为线性细长的 Xpandomer,其特征是报告基因插入物的序列编码模式。鉴于报告基因的长度和独特特征,Xpandomer 穿过纳米孔可产生高信噪比的序列信息。
结合了当初收购的Genia所带来的底层芯片开发技术,罗氏SBX测序产品最快将于明年推出。
Quantapore
Quantapore成立于2009年,最后一轮融资是在2018年,其中多家中国投资机构参与其中。随着公司创始人CEO在2023年加入蛋白组学公司Nautilus,也彻底宣告了Quantapore的失败。
Quantapore 并未推出任何产品,据其发布的新闻,其纳米孔测序声称可以读取kb长度,并且样品制备简单,无需扩增。该技术有望是可扩展的,其试剂盒可容纳多达数十万个孔,同时成本较低。