全球資訊網（WWW）在1993年開始運作時，似乎一夕之間就為人接受並流行開來，而不像大部份的新科技，從最初「證明可以行得通的概念」到全面普及化，往往至少需要10年。然而網路並不是真的在一年之內冒出頭來的，它建立在一些基礎架構上，包括1965~1993年間架設的硬體建設，以及人們突然體悟到一些必要資源（像是個人電腦）數量，已突破了關鍵門檻。
遠見和市場也是促進新科技研發和擴展的因素。舉例來說，太空計畫最早是由政府規劃，到了很後期才因軍事和民用衛星的需求，推動了太空產業的商業生機。生物科技很可能是下一波科技革命的主角，我們可以開始研擬與推動什麼樣的市場、前景、發現和發明，才會影響生物科技的發展？它又需要怎樣的基本架構和資源，才能充份展現潛能？
在1984年和1985年，我和10幾位研究人員提出「人類基因組計畫」（HGP），期望人類首度能夠解讀那寫在我們DNA內的天書，其中完整描述了造就和維續人類生命指令。該項計畫的目標是以30億美元，在1990~2005年間，完成整個人類基因組的定序。
我們提前了幾年完成最簡單的93%序列，並發展出許多有用的技術和方法。這些技術不斷改良後，使得準確度足堪使用外，也讓定出一個人類基因組序列的花費能夠減低到約2000萬美元。然而這種價格，大規模基因定序工作大都仍然局限在以定序為主的研究中心，還有花費大筆鈔票的研究計畫。
「1000美元基因組」已成為口號和目標。如果能以這合理價格完成基因組定序的話，或許大家會願意花這一生一次的錢，將自己完整的DNA序列儲存於磁碟中，供醫生診斷時參考。低價定序技術也將可以讓更多研究人員投入基因組研究，解開基因組資訊的意義，並能有更多基因組彼此比對，從而了解健康者和患者之間的差異。
我們體內和食物中都充滿了致病原、過敏原和有益的微生物，生活在這樣的環境裡，「人類」基因組的應用性不只限於人類。許多人都會注意天氣圖。或許有一天，我們也能利用基因組資訊，製作致病原圖和過敏原圖。而快速成長的奈米科技和生物科技工業，也將加速探索生物群系（biome），找尋新的「智慧」材料和微生物，用於製造業，或是以生物復育法來處理污染物質。
要實現這些想法以及其他許多我們還沒有想到的應用，還得突破價格這個障礙。美國國家衛生研究院的兩所研究機構，出錢成立了「革命性基因組定序技術」計畫，要科學家挑戰在2009年以10萬美元的價格，讀取一個個人的基因組序列；在2014年則以1000美元完成。第一個能達成這個目標的團隊，有可能贏得鉅額獎金。事實上，我們距離目標並不遠，根據調查，正在研發的全新基因組讀取技術，最快再四年，就能做到以兩萬美元定出基因組序列。一旦達成這個基準，其他改進的方法也將應運而生。
DNA定序方式比一比
對任何定序方法來說，DNA的大小、結構和功能都可能是障礙，但也有可能成為助力。人類基因組由30億對核酸分子組成，每個核酸分子內都含有下列四種鹼基中的一種：腺嘌呤（adenine, A）、胞嘧啶（cytosine, C）、鳥糞嘌呤（guanine, G）和胸腺嘧啶（thymine, T），它們是基因組DNA資訊編碼所使用的字母，會遵循嚴格的配對規則：A和T一對，G和C配對。這樣的配對構成DNA梯子般結構中的橫向橫板。由於有這種配對規則，只要讀取梯子的其中一邊的序列，就可以得知梯子另一邊互補的序列。
人類的基因組有30億個核酸長，分別位於23條染色體上；而每個人都帶有兩套染色體，分別來自父親和母親，兩者間的差異為0.01%，因此每個人的基因組都約含60億個鹼基對。要讀取這冗長基因組中每個核酸的鹼基，需要有能偵測次奈米尺度差異的感應器，以區別出四種鹼基。掃描式穿隧顯微鏡（STM）是其中一種能透視這些微小結構和細微差別的物理方法，然而要讀取數百萬或數十億個鹼基，主要仍得靠化學方法。
1970年代桑格（Frederick Sanger）發展的定序法，在HGP中廣為利用，也是今日大部份定序方法的基礎。這項技術又稱為分離定序法。在這種定序的過程中，DNA需要經過數次的複製，製造足量的DNA片段，然而在最後一次的複製過程中，必須在DNA末段加上帶有螢光標記的終止核酸，以產生長度不一的片段。這些片段在電泳過程中會依長短不同而分開來，而片段末端的標記在通過偵測窗口時，則會顯現四種鹼基各自特有的螢光信號，而讀取出原始DNA的鹼基序列（參見第46頁〈解讀DNA序列〉）。
桑格定序法的優點是確實可靠，缺點是儘管多年來不斷改良，仍然耗時又昂貴，因此其他新研發的定序方法，大部份都企圖減少費時的準備步驟、使用小型化的設備以減少化學藥劑用量，並以大規模平行反應來同步讀取數百萬個DNA片段的序列，以增快速度和降低成本。
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本文作者邱契是參與個人基因組計劃的志願者之一，他背後是一排排螢光聚合群落的相片前。
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許多研究團隊現在開發的技術，大都屬於合成定序法，靈感來自生物體複製和修復自己基因組的高精確度。舉例來說，細胞準備分裂時，它的DNA雙股梯子會分開成為兩條單股，一種名為聚合的酵素會沿著DNA鏈，以原始股為模版，按鹼基配對法則，將核酸加到互補鏈上。細胞內還有一種名為接合的酵素，會將新合成的DNA片段連接起來，形成和原始模版相對應的互補鏈。
合成定序法模擬細胞的複製步驟，分析單股DNA的序列。當聚合將一個核酸加在新互補鏈的起始引子之後，或接合認定某段核酸鏈與原始模版配對，就可利用這些反應來得出原始模版的序列。
要偵測出新加入核酸的鹼基或聚合的接合反應，科學家想出了不同的辦法，但通常都不外乎兩種信號類型。第一種是將不同的螢光分子連接在帶有不同鹼基的核酸上，透過光學顯微鏡即可看出反應發出的顏色信號。許多研究團隊在進行合成定序與接合定序時，都使用螢光信號，其中包括了美國貝勒大學的馬茲克（Michael Metzker）團隊、聖路易華盛頓大學的密特拉（Robi Mitra）團隊，以及我在哈佛醫學院與艾基科特生物科學公司（Agencourt Bioscience Co.）的實驗室。
另一種方法則利用了生物發光蛋白質，像是螢火蟲的螢光素（luciferase），來偵測核酸連接在引子序列後所釋放的焦磷酸。這套方法是由目前任教於史丹佛大學的羅納吉（Mostafa Ronaghi）所開發，焦磷酸定序╱生物年代（Pyrosequencing/Biotage）公司和454生命科學公司，都採用這套系統。
然而這兩種偵測方式都需要同時有多個鹼基配對反應發生，產生的信號才強到看得見，因此必須有許多複製的DNA同步反應。然而有些研究人員正想辦法讓靈敏度達到可偵測一個模版分子所發出的信號。美國加州理工學院的桂克（Stephen Quake）、螺旋生物科學（Helicos Biosciences）公司和奈米流體學（Nanofluidics）公司的科學家，都採用了單一分子的策略，希望省卻複製模版的步驟，以節省時間和成本。
偵測單一螢光分子極為困難，因為只要有5%的序列無法讀出，就需要更多定序程序來補讀空缺的部份，這也是為什麼大部份團隊都會先利用聚合連鎖反應（PCR）來複製（增加）要定序的DNA。而複製這個步驟，科學家也研發了各種方法，研究人員如今已不再需要利用細菌來幫忙複製DNA。
其中一個不需要細胞的增幅方法，是由瑞士日內瓦雪蘭諾製藥研究中心的川島（Eric Kawashima）、俄羅斯科學院的車特佛林（Alexander Chetverin）和當時在哈佛大學的密特拉所開發的。他們設計了可排列在顯微鏡載片或凝膠層上的一個個獨立的聚合群落（polony），每個聚合群落內都含有一個模版分子，在進行PCR後，可複製出數百萬個要定序的模版，就像是細菌群落是從中間原始的一個細胞開始生長成的一般。PCR後形成的聚合群落叢，寬1微米，體積為1飛升（1飛升為10-15公升），因此一片載玻片上就可容納數十億個聚合群落。
這套系統的的變化之一，是讓乳劑小滴中的微小圓珠上形成聚合群落，在PCR後，就可將上百萬個黏附了複製DNA的圓珠，放到微盤或固定在凝膠上，同步進行定序。
這些複製模版的方法，以及鹼基加長和接合等定序方法，只是少數幾個例子，學術界和企業界目前至少有10幾種不同的合成定序方法正在研發。
【本文轉載自《科學人雜誌》2006年2月號】
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