Nature Methods：从泊肃叶到库埃特：一场流体力学革命，引爆DNA测序成本与速度双重突破

引言

从精准定位致癌基因以开发靶向药物，到快速识别新型病毒以遏制全球大流行，再到揭示人类迁徙的宏伟史诗，这一切的背后都有一个共同的、强大的技术基石——DNA测序 (DNA sequencing)。特别是二代测序技术 (Next-generation sequencing, NGS) 的崛起，让我们以前所未有的速度和规模解读着生命的蓝图。

然而，尽管NGS技术成就斐然，但它前进的步伐在近年来似乎有所放缓。它就像一辆性能强大的跑车，却被一条无形的物理规则限制了最高时速。成本和耗时过长的流程，依然是阻碍其在临床诊断和科研领域“飞入寻常百姓家”的两大核心障碍。我们不禁要问：我们是否已经触及了现有技术的天花板？

7月14日，《Nature Methods》上的重磅研究“Fast, cost-effective and flexible DNA sequencing by roll-to-roll fluidics”，为我们带来了振奋人心的答案。研究人员另辟蹊径，用一种极其巧妙的“卷对卷”流体方案，彻底颠覆了传统测序仪中的液体处理方式，不仅将测序速度提升至新高度，更将成本降低了惊人的数十倍。这不仅仅是一次技术改良，更像是一场掀翻棋盘的底层物理学革命。

测序仪中的“隐形暴君”——流体物理学的“交通拥堵”

要理解这项新技术的革命性，我们先走进现有测序仪的核心，看看那里究竟发生了什么。

在绝大多数主流NGS平台中，DNA测序的核心战场发生在一个叫做“流通池” (flow cell) 的微小空间里。你可以把它想象成一个极其精密的“玻璃三明治”，两片玻璃中间夹着一层仅有几十微米（比一根头发丝还细）的空隙。在这层空隙的底部玻璃片上，密布着数以亿计的微小“锚点”，我们的DNA样本就被固定在这些锚点上，等待着被一步步“阅读”。

测序的过程，本质上是一场精确控制的生物化学“接力赛”。这个过程被称为“边合成边测序” (sequencing-by-synthesis, SBS)。简单来说，就是模拟DNA在细胞内的复制过程。每一次，测序仪会泵入一种带有荧光标记的DNA“建筑材料”——脱氧核糖核苷三磷酸 (dNTP)。当这种材料与DNA模板链上的碱基正确配对时，它就会被“固定”下来，并发出特定颜色的荧光信号。高精度的显微镜会捕捉这个信号，从而“读”出一个碱基。接着，测序仪会泵入化学试剂，洗掉荧光标记并准备进行下一轮的“阅读”。这个“延伸-检测-再生”的循环要重复数百次，才能读出一条完整的DNA片段。

问题就出在试剂的“泵入”和“洗掉”这个环节。在如此微小的通道里，液体的流动遵循着一种古老的物理规律——泊肃叶流 (Poiseuille flow)。想象一下河流，河中心的“主流”速度最快，而靠近河岸的水流则因为与岸边的摩擦而变得非常缓慢。泊肃叶流也是如此，在流通池这个微型“河道”中，紧贴上下玻璃表面的液体流速趋近于零，而只有通道中心的液体流速最快。

这种不均匀的流速分布，在测序中是致命的。当我们要切换试剂时，比如从“A碱基试剂”换成“T碱基试剂”，我们必须确保旧试剂被100%地冲洗干净，否则残留的旧试剂就会造成“读码”错误。然而，由于泊肃叶流的存在，那些“龟速”附着在玻璃表面的旧试剂分子极难被冲走。为了彻底清洗，我们唯一的办法就是用远超流通池本身容积数倍、乃至数十倍的新试剂去“暴力”冲刷。

这直接导致了两个灾难性的后果：

其一，是巨大的试剂浪费。研究数据显示，在传统NGS测序中，超过89%的运行成本都花在了昂贵的化学试剂上，而其中绝大部分都作为“冲洗液”被白白浪费了。

其二，是物理极限的束缚。研究人员发现，流通池内的压力降(Δp)与流速(Va)、通道长度(L)成正比，却与通道高度(h)的平方成反比。这意味着，如果我们想把通道做薄一点（减小h）来节省试剂，压力会急剧飙升；如果我们想把芯片做长一点（增大L）来增加一次测序的数据量，压力也会线性增加。而目前测序仪的管路、密封圈等部件所能承受的最大压力约为90千帕 (kPa)。这个压力上限，就像一个无形的“暴君”，死死地限制了测序仪在通量、成本和速度上的进一步提升。

几十年来，工程师们都在这个“压力牢笼”里左右腾挪，试图寻找最佳的妥协方案。但泊肃叶流这个物理定律，如同一堵无法逾越的高墙，让NGS技术的性能提升之路越走越窄。

百年故智的新生——从润滑油理论到基因测序

面对这堵高墙，我们真的无计可施了吗？研究人员将目光投向了另一个同样古老，但性质截然不同的流体模型——平面库埃特流 (plane Couette flow, pCF)。

这个概念最早由科学巨匠雷诺 (Reynolds) 在1886年研究润滑理论时提出。它描述了这样一种理想情景：在两块无限大的平行平板之间充满液体，其中一块平板静止，另一块则以恒定速度平行移动。在这种情况下，两块板之间的液体会被平稳地“拖拽”着前进，形成一个线性的速度梯度。最关键的是，它没有泊肃叶流那种靠近壁面的“死水区”。每一层流体都在均匀地移动。

如果能用库埃特流来输送测序试剂，那切换试剂时，只需要像用刮刀刮黄油一样，平推过去，就能实现近乎完美的“活塞式”替换，从而极大地减少试剂用量和冲洗时间。

这个想法虽然美妙，但在现实中实现一个“非浸入式”的、可用于生物芯片的库埃特流系统，却是一个巨大的工程挑战。而这正是本研究最巧妙的核心创新所在。他们设计了一套被称为“卷对卷流体” (roll-to-roll fluidics, r2r-fl) 的系统。

想象一下这个场景：一张长达3公里的柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 薄膜带，像老式磁带一样，从一个滚轮（送料轮）出发，被拉向另一个滚轮（收集轮）。在这段旅程中，PET带会经过一系列狭缝涂布模头 (slot-die)。这些模头像打印机的喷头一样，精确地在PET带的表面涂上一层仅有10微米厚的、不同种类的测序试剂薄膜。接着，这张载着“试剂地毯”的PET带，会以每秒0.32米的速度，轻轻地“擦过”下方静止的、载有DNA的生物芯片。PET带与芯片之间的间隙被精确控制在20微米。就这样，PET带充当了那块“移动的平板”，而生物芯片则是“静止的平板”。它们之间由试剂液体连接，完美地构成了一个现实版的库埃特流系统。

这个设计有几个堪称“神来之笔”的细节。首先，它根本不需要传统流通池那样的全封闭结构。PET带和芯片之间的液体，仅靠表面张力 (surface tension) 就能稳定存在，不会泄漏。研究人员通过特殊的电晕处理，让PET带表面变得高度亲水，确保了试剂能均匀铺展。其次，整个系统是开放的，极大地简化了结构。最重要的是，它从根本上摆脱了对压力泵的依赖，流体的驱动力来自PET带的机械拖拽，因此压力问题迎刃而解。

一个被认为只存在于流体力学教科书中的理想模型，就这样被研究人员巧妙地“复活”，并赋予了全新的使命。

眼见为实——“1秒冲洗”对决“40秒煎熬”

理论再完美，也需要实验的检验。研究人员进行了一系列直观而有力的对比实验，来证明“卷对卷”系统在流体替换效率上的压倒性优势。

他们用一种绿色荧光染料来模拟测序试剂，用水来模拟清洗液。

在一个传统的单通道流通池中，当水被泵入以冲洗荧光染料时，我们能清晰地看到泊肃叶流的典型特征：一个缓慢推进的、中间快两边慢的抛物线形界面。整个通道要被彻底冲洗干净（荧光信号降低到几乎为零），耗费了将近40秒。在此期间，总共消耗了每平方厘米65微升的“清洗液”。

而在全新的r2r-fl系统中，景象则完全不同。当载着水的PET带扫过芯片时，荧光染料被一个极其干净利落的、笔直的界面瞬间推走。完成99.9%的替换，仅仅用了不到2秒钟！而消耗的液体体积，更是低至每平方厘米2微升。

40秒对决2秒，65微升对决2微升。 这不仅仅是数字上的差异，它意味着在每一次测序循环中，r2r-fl系统在时间和试剂上的浪费都比传统方法减少了超过一个数量级。

研究人员还利用计算流体动力学 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 软件进行了计算机模拟，结果与实验惊人地一致。模拟显示，要在传统7厘米长的流通池中达到相同的流速，内部压力会飙升至328千帕 (kPa)，这远远超过了90 kPa的安全阈值，足以导致玻璃盖板发生微米级的形变甚至破裂。而r2r-fl系统在运行时的内部压力只有约200帕 (Pa)，比一个大气压低得多，几乎可以忽略不计。

更令人振奋的是，模拟和实验都证实了r2r-fl系统的一个关键特性：其内部压力与生物芯片的长度无关。这意味着，无论芯片是1厘米长，还是1米长，驱动流体所需的力几乎不变。这一特性彻底解除了传统测序仪上“通量越大、压力越高”的魔咒，赋予了该技术无与伦比的灵活性 (flexibility) 和可扩展性 (scalability)。研究人员展示的第二代系统中，生物芯片的承载面积已经达到了惊人的1.35米 × 1.2米，可以同时处理超过100个标准大小的芯片。这是传统技术想都不敢想的。

成本的终结者——“滚动”如何改写测序账单

流体效率的巨大提升，最直接的体现就是成本的急剧下降。

让我们来算一笔账。在NGS测序中，成本的大头（超过89%）是试剂。r2r-fl系统所需的冲洗液体体积，根据不同的流速和芯片尺寸，比传统流通池少了5到85倍。这直接将最大头的成本开销砍掉了绝大部分。

研究中的数据对比，清晰地展示了这种降维打击般的效果：

首先是周转时间 (Turnaround Time, TAT)，完成一次标准的100个碱基对的双端测序(PE100)，传统的高通量测序仪如Illumina NovaSeq X或BGI DNBSEQ-T7，通常需要22到32个小时。而r2r-fl系统，将这个时间压缩到了12小时以内。对于争分夺秒的临床诊断，比如新生儿急症的快速基因检测，这种速度的提升意义重大。

其次是试剂消耗 (Reagent Consumption)，r2r-fl的试剂消耗量仅为每平方厘米2微升，而NovaSeq X和DNBSEQ-T7则分别为12微升和18微升。再者是单次通量 (Throughput)，得益于其优异的可扩展性，研究人员展示了一个15厘米×15厘米的单片生物芯片，一次运行即可产生高达460亿条的测序读数 (reads)。这是一个极其庞大的数据量。

综合下来，r2r-fl技术将每千兆碱基对 (gigabase pair, Gb) 的测序成本，降低到了令人难以置信的0.16美元。作为对比，目前市场上最先进的平台，这个数字大约在2美元左右。基于这个成本结构，研究人员预测，使用r2r-fl技术完成一个高质量的人类全基因组测序（约90 Gb数据），成本有望控制在15美元以内。这无疑将使“百元美金基因组”的时代加速到来，让全基因组测序从少数人的“奢侈品”，变为人人可及的常规健康检查。

快且省，质又如何？——对数据质量的终极拷问

一项测序技术，无论多快、多省，如果数据质量不过关，那一切都是空谈。那么，r2r-fl这个“快闪族”的数据可靠吗？研究人员用最严苛的标准，对它的数据质量进行了全方位的“大考”，并将它与Illumina NovaSeq X等平台进行了正面比较。

考核科目包括了多个维度：

第一，Q30：这是衡量测序准确率的核心指标，代表着碱基识别错误率低于千分之一的读数比例。Q30越高，数据质量越好。结果显示，r2r-fl的Q30值稳定在90%以上，与顶级商业平台处于同一水平。更重要的是，它的Q30热图显示出极佳的均匀性，不像传统流通池那样在边缘区域有明显的质量下降。

第二，信号强度与碱基平衡 (Fluorescence Intensity & Base Distribution)：r2r-fl在连续200轮的测序循环中，四种荧光信号（代表A, T, C, G）强度稳定，没有出现明显的衰减，表明DNA纳米球 (DNBs) 和生化反应体系非常健康。各碱基的检出比例也符合物种的自然分布，没有偏好性。

第三，延迟 (Lag) 和超前 (Run-on)：这是SBS化学中两种主要的测序错误来源。延迟指一部分DNA分子没跟上“节拍”，落后于当前循环；超前则指它们“抢跑”了。这两种错误会随着测序轮数的增加而累积，是长读长测序的主要障碍。数据显示，r2r-fl的延迟和超前率全程都控制在极低的水平，其表现与NovaSeq X平台相当甚至更优。

第四，实战检验——人类、细菌与病毒基因组测序：在对人类基因组标准样本NA12878的测序中，与“金标准”数据库比对，r2r-fl在检测单核苷酸多态性 (SNP) 方面，精确度 (precision) 高达99.9%，灵敏度 (sensitivity) 达到99.3%。在检测更复杂的插入和缺失 (INDEL) 时，精确度和灵敏度也分别达到了99.2%和98.0%。对于大肠杆菌 (E. coli)，测序结果与参考基因组的比对率（mapping rate）高达99.9%。更亮眼的是，在对新冠病毒 (SARS-CoV-2) Alpha变异株的测序中，结果是完美的——0个核苷酸突变，0个插入，0个缺失。这些数据证明，r2r-fl的数据质量完全达到了临床和科研级别的要求。

这一系列严谨的数据表明，r2r-fl在追求速度和成本的同时，对数据质量没有做出任何妥协。它是一个名副其实的“三好学生”——快、省、且准。

一窥“卷对卷”的未来——流体革命开启的应用新篇章

一项颠覆性的平台技术，其影响力绝不会局限于它最初的应用。r2r-fl技术为我们描绘的，是一个更加高效、普惠和灵活的基因科学未来。

对于临床诊断，这意味着“即时化”。 想象一下，一个新生儿重症监护室里的危重患儿，疑似患有罕见的遗传病。传统的测序流程可能需要数天才能拿到结果，而每一分钟的延误都可能关乎生命。r2r-fl的“12小时”周转时间，能为医生争取到宝贵的诊断和治疗窗口。同样，在面对未知病原体引发的疫情时，这种快速测序能力能帮助疾控中心在半天之内锁定“元凶”，为公共卫生决策提供关键信息。

对于肿瘤研究，这意味着“深度化”。 癌症是一种基因病。测序越深，就越有可能发现导致耐药或转移的稀有突变。高昂的成本曾是“深度测序”的拦路虎。r2r-fl带来的成本骤降，将使研究人员能够以更低的代价，对更多肿瘤样本进行更深层次的分析。它还将极大地推动“液体活检” (liquid biopsy) 的普及，通过检测血液中的微量肿瘤DNA，实现癌症的早期筛查和复发监控。

对于生命科学研究，这意味着“规模化”。 无论是绘制地球上所有物种的生命之树，还是研究肠道微生物与人体健康的复杂关系，现代生命科学的许多宏伟目标，都需要海量的测序数据。r2r-fl无与伦比的可扩展性，使其成为执行这些大规模基因组学项目的理想工具，将极大地加速我们对生命世界整体的认知。

更重要的是，r2r-fl本身，并不仅仅是一个测序方案，它是一种全新的（微）流体管理哲学。这种通过移动表面来精确、快速、低成本地输送和交换微量液体的思想，完全可以被移植到其他领域，比如高通量的药物筛选、单细胞分析、空间组学乃至工业过程中的精密化学合成。

从一条流淌百年的物理学定律，到一个转动不息的工程奇迹，r2r-fl技术用最朴素的物理原理，解决了生命科学中最前沿的难题。它如同一位技艺高超的“卷王”，以一种优雅而高效的方式，正在“卷”动生命密码的解读方式，也将“卷”起一个属于所有人的、更加健康和可知的未来。这，或许就是科学与工程结合最动人的魅力所在。

参考文献

Qin Y, Koehler SA, Ling Y, Yu S, Zhang Y, Luo J, Chen K, Junjie L, Zeng J, Chu H, Wang F, Li W, Li D, Yu X, Wu X, Zhao S, Lu H, Deng Z, Yang Z, Mai R, Liu Z, Niu Z, Huang X, Xing C, Zhang X, Hu Y, Peng X, Liao X, Qu X, Gong Y, Chen Q, Hermans TM, Zhang W, Yang H. Fast, cost-effective and flexible DNA sequencing by roll-to-roll fluidics. Nat Methods. 2025 Jul 14. doi: 10.1038/s41592-025-02730-2. Epub ahead of print. PMID: 40659980.