一文详解，纳米孔测序技术的机遇与挑战！【2025VBEF】

基因测序，正在发展为精准医疗与分子诊断中增速最快的子行业之一。根据弗若斯特沙利文数据，中国基因检测市场规模将从 2025 年的 487 亿元进一步增长至 2030 年的1536 亿元，未来5年复合增速为25.8%。

未来，随着基因测序技术及产品的迭代，以及应用规模的不断扩大，新一代测序技术——纳米孔测序技术，有望成为该行业的“新晋顶流”。作为一种新型测序技术，纳米孔测序技术在原理上完全区别于其他几代测序技术，尤其适合快速和长读长测序，为病原检测、遗传性疾病筛查、癌症诊断和治疗、传染病溯源等开辟了新的途径，为精准医疗提供了宝贵的工具。

在2025VBEF未来医疗医药100强展会·精准医疗与分子诊断产业发展论坛上，中国科学院生物物理研究所长聘研究员、国家“杰出青年基金”获得者、国家高层次人才特殊支持计划领军人才黄亿华研究员，以基因测序技术发展历程为开端，深度讲述了纳米孔测序技术的机遇与挑战，揭示了测序技术和测序仪器的底层逻辑与发展趋势。

中国科学院生物物理研究所长聘研究员、国家“杰出青年基金”获得者、国家高层次人才特殊支持计划领军人才黄亿华研究员

黄亿华表示，多年以来，基因测序技术在不断发展与迭代，至今为止已发展到第四代：第一代基因测序技术是以Life Technologies公司为代表，推出的“Sanger基因测序技术”；第二代基因测序技术是以Illumina公司为代表，推出的“NGS（Next Generation Sequencing）测序技术”；第三代基因测序技术是以PacBio公司为代表，推出的“单分子实时测序技术”；第四代基因测序技术则是如今发展迅猛的“纳米孔测序技术”。

黄亿华指出，对于纳米孔测序技术的分类归属，从不同的维度分析有不同的结论。

从技术优势来看，纳米孔测序技术在第三代测序技术的基础上进行了优化，进一步实现了不依赖光学系统、设备成本与测序仪体积大幅优化等突破，具备了长读长、实时测序、直接检测、便携性等独特优势，可广泛应用于核酸和蛋白质测序，应用场景多元，所以将其归为第四代测序技术。

但从技术原理和特点来看，纳米孔测序技术也可以归类到第三代测序技术。它无需对样本进行PCR扩增，可直接对单链核酸分子进行测序，这符合第三代测序技术单分子测序的特征。并且纳米孔测序技术能够实现长读长测序，可有效解决基因组组装中的复杂区域，如重复序列和结构变异等问题，这也是第三代测序技术的重要优势之一。

值得一提的是，相较于其他基于光信号识别碱基的测序技术，纳米孔单分子测序技术是基于电信号测序的技术，马达蛋白将DNA分子双链解旋成单链并使之按顺序穿过生物纳米孔，通过检测过孔电流信号的不同特征从而识别碱基序列。其样本处理极其简单，是目前唯一一个不依赖DNA聚合酶的测序技术。

当然，包括纳米孔测序技术在内，不同的测序技术，存在不同的优势和劣势。

整体来看，第一代测序技术可以看作是行业金标准，但其测序通量低，测序成本比较高；第二代测序技术的最大亮点则是通量高、成本低，但是其测序读长短，基因组组装较为复杂；第三代测序技术的测序读长较长，但存在测序成本高、测序仪器昂贵、测序流程复杂等缺点；第四代测序技术拥有超长测序读长、携带方便、能够直接检测表观遗传修饰、有潜在蛋白质测序能力、环境依赖性小等特点。由于仍处于技术研发迭代期，纳米孔测序技术测序成本有待进一步下降，测序准确度也还有提升的空间。

纳米孔测序技术的原理，让其具有其他测序技术不具备的差异化优势。

首先，纳米孔测序技术突破了测序读长的限制，可检测通过纳米孔的全部核酸序列，测序长度仅受限于所测单链DNA的长度，因此理论上其测序读长可以无限长。实际应用中，纳米孔测序仪已经实现了从几十到百万级碱基的读长。

其次，相较于依赖RNA反转录成DNA的传统RNA测序方法，纳米孔RNA直接测序技术无需逆转录环节，可以直接测序各类原始RNA和RNA的表观遗传修饰信息。该技术能够完整保留原始序列信息和修饰特征，避免PCR扩增引入的偏差，从而提供更真实的基因表达图谱。

此外，纳米孔测序技术还具有测序快速的优势。利用该技术测序，每秒钟DNA通过纳米孔的速度可超过数百个碱基。纳米孔测序技术还是目前唯一不需要对底物进行标记的测序技术，测序成本相较于三代测序低、仪器便携、环境依赖性小，可在实验室、野外，甚至太空舱或海洋舰艇中进行测序。

黄亿华研究员分析，尽管纳米孔测序技术理论上具备上述诸多优势，但其市场占比仍然较低，要实现大面积普及还需在诸多方面持续努力，不断突破，推动纳米孔测序全面迈向：更准确、更灵敏、更快捷、更低成本。

持续提高测序准确率是纳米孔测序技术亟需突破的重大命题。孔道电流噪声大小和碱基过孔电流信号幅度会影响准确率；同时，纳米孔测序较难准确分辨较长的同聚物序列，这也是纳米孔测序需要解决的难点之一。为提高测序准确率，需要对纳米孔蛋白和控速蛋白进行蛋白质工程，优化其性质并提高二者的匹配性，通过模拟纳米孔蛋白和控速蛋白的相互作用，使其稳定在几种作用方式上，可进一步降低噪音并提升测序信号均一性，从而提高测序准确度。

此外，纳米孔测序技术的普及，还需要在测序灵敏度、测序通量、成本、操作难度等方面进行持续优化。

针对上述痛点，黄亿华研究员及其带领的普译生物研究团队，在多年持续深耕纳米孔测序技术的基础上，基于纳米孔基因测序原理，以自主解析的新型生物纳米孔原子水平结构为基础，结合核酸化学、蛋白质工程等，构建具有自主知识产权的测序化学体系；以集成电路芯片、软件工程、深度学习算法构建高水平测序平台；研制出了高准确度、高通量、长读长、低成本的纳米孔测序仪和配套试剂耗材，让“高大上”的纳米孔测序技术走向了基因组研究、病原体检测、临床检测、制药检测、科研检测等数个领域，惠及大众。