从链终止法到纳米孔：DNA测序技术的革命之路
从链终止法到纳米孔：DNA测序技术的革命之路
1918年8月13日，弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）出生于英国格洛斯特郡的一个医生家庭。这位看似平凡的男孩，日后将成为生物化学领域的一位巨匠，两度获得诺贝尔化学奖，为人类揭示生命奥秘做出了划时代的贡献。
从胰岛素测序到DNA测序的突破
桑格的科学生涯始于剑桥大学，最初他打算追随父亲的脚步学习医学，但很快就被生物化学的魅力所吸引。1943年，他在剑桥大学获得博士学位，随后开始了在蛋白质和DNA序列研究方面的开创性工作。
1955年，桑格完成了胰岛素的氨基酸序列测定，这是人类首次确定一种蛋白质的完整化学结构。这一突破性成果不仅证明了蛋白质具有明确的构造，更为后续的DNA测序技术奠定了基础。因此，桑格在1958年获得了他的第一个诺贝尔化学奖。
然而，桑格并没有满足于已有的成就。1975年，他发明了一种革命性的DNA测序方法——链终止法（也称双脱氧终止法或桑格法）。这种方法利用双脱氧核苷酸（ddNTPs）作为链终止剂，在DNA复制过程中随机终止链的延伸，从而生成一系列长度不同的DNA片段。这些片段通过电泳分离后，可以精确地读出DNA序列。
两年后，桑格利用这种方法成功测定了Φ-X174噬菌体的基因组序列，这是人类首次完成的完整基因组测序工作。这一成就使他再次获得诺贝尔化学奖，成为继玛丽·居里、莱纳斯·鲍林和约翰·巴丁之后的第四位两度获得诺贝尔奖的科学家。
测序技术的革命性发展
桑格的链终止法开启了DNA测序的新纪元，被誉为第一代测序技术。然而，随着科学研究的需求不断增加，科学家们开始探索更高效、更高通量的测序方法。
1986年，美国应用生物系统公司推出了第一台自动化测序仪，实现了测序过程的自动化和批量化。这标志着第二代测序技术的诞生，也被称为高通量测序技术（High-throughput sequencing，HTS）。这一阶段的代表性技术包括Illumina公司的Solexa测序技术、Applied Biosystems公司的SOLiD测序技术以及454 Life Sciences公司的焦磷酸测序技术。
然而，科技的进步永无止境。2000年代初期，科学家们开始探索无需PCR扩增、直接对单个DNA分子进行测序的可能性。2010年左右，第三代测序技术——单分子测序技术应运而生。其中最具代表性的是Pacific Biosciences公司的SMRT测序技术和Oxford Nanopore公司的纳米孔测序技术。
纳米孔测序技术尤其引人注目。它通过检测DNA分子穿过纳米孔时引起的电流变化来识别碱基序列，具有超长读长、实时测序和设备便携等优点。目前最成熟的MinION测序仪体积仅有一支笔大小，重量约100克，可以随时随地进行测序工作。
改变世界的科学贡献
桑格测序技术及其后续发展不仅推动了基础科学研究的深入，更为人类带来了实实在在的好处。在人类基因组计划中，桑格测序法发挥了关键作用，为揭示人类遗传密码奠定了基础。在医学领域，高通量测序技术使得大规模基因组研究成为可能，为疾病诊断和个性化医疗开辟了新途径。在法医学中，DNA测序技术已经成为犯罪侦查的重要工具，帮助警方破解了许多疑难案件。
尽管测序技术已经取得了巨大进步，但仍面临一些挑战。例如，单分子测序技术虽然读长长、速度快，但准确率相对较低；高通量测序技术虽然通量大、成本低，但读长短、组装复杂基因组时存在困难。未来，科学家们将继续致力于提高测序的准确率、降低成本，并开发更简便的样本处理方法，以满足不同领域的应用需求。
从一个小镇医生的儿子到两届诺贝尔奖得主，弗雷德里克·桑格的一生见证了现代生物化学的蓬勃发展。他的链终止法不仅开启了DNA测序的新时代，更为人类揭示生命奥秘提供了强大的工具。正如他在接受采访时所说：“我只是一个普通的科学家，只是运气比较好而已。”但正是这种谦逊和执着，让他成为了改变世界的科学巨人。