中国生物信息技术服务行业市场研究及重点企业竞争力深度调研报告.docx
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中国生物信息技术服务行业市场研究及重点企业竞争力深度调研报告
中国生物信息技术服务行业市场
深度调研报告
2015年1月
图表目录
第一章、生物信息技术服务行业的定义
第一节、生物信息技术服务
生物信息学（Bioinformatics）是80年代末随着人类基因组计划的启动而兴起的一门新的交叉学科，最初常被称为基因组信息学。
广义地说，生物信息学是用数理和信息科学的理论、技术和方法去研究生命现象、组织和分析呈现指数增长的生物数据的一门学科。
目前该学科主要涉及的生物数据是遗传物质的载体DNA及其编码的大分子蛋白质。
生物信息学以计算机为其主要工具，发展各种软件，对逐日增长的浩如烟海的DNA和蛋白质的序列和结构进行收集、整理、储存、发布、提取、加工、分析和研究，目的在于通过这样的分析逐步认识生命的起源、进化、遗传和发育的本质，破译隐藏在DNA序列中的遗传语言，揭示生物体生理和病理过程的分子基础，为探索生命的奥秘提供最合理和有效的方法或途径。
生物信息学已经成为生物医学、农学、遗传学、细胞生物学等学科发展的强大推动力量，也是药物设计、环境监测的重要组成部分。
生物信息技术服务，是指以生命科学研究为基础，利用现代电子通信技术，采用信息采集、存储、加工、利用以及技术开发、信息服务等多种手段对生物（或生物组织、细胞及其他组成部分）的特性和功能进行研究和解析，
第二节、主要产品定义和用途
1、生物信息数据测定：
通过采用二代或三代基因测序技术测定基因组信息，用质谱等方法对蛋白质组、基因组、代谢组进行测定及相互作用的信息
2、生物信息数据一次挖掘：
基因组：
包括数据的功能注释，基因芯片分析，表达谱分析，表观遗传学分析，3D基因组分析，基因进化分析等；
蛋白质组：
包括蛋白质相互作用预测，蛋白质功能分析，基于蛋白质结构的药物设计等；
代谢组：
包括代谢组的网络构建及模拟、基于代谢组的靶标的筛选等。
3、生物信息数据二次挖掘：
在一次挖掘的基础上，有针对性的对上述信息进行深度挖掘。
4、生物信息方法的研究与开发：
蛋白相互作用高通量测量方法；
蛋白核酸高通量测量方法；
药物靶标预测方法；
药物快速筛选方法；
组合药组发现方法；
5、生物信息数据库及平台建设服务：
包括数据整合及显示、数据检索、数据库的管理及维护等。
6、科研项目立项过程中的咨询、论证、参与等。
第三节、主要技术工艺简介
生物技术：
以生命科学为基础，利用生物（或生物组织、细胞及其他组成部分）的特性和功能，设计、构建具有预期性能的新物质或新品系，以及与工程原理相结合，加工生产产品或提供服务的综合性技术。
信息技术：
研究信息的获取、传输和处理的技术，由计算机技术、通信技术、微电子技术结合而成，即是利用计算机进行信息处理，利用现代电子通信技术从事信息采集、存储、加工、利用以及相关产品制造、技术开发、信息服务。
测序技术：
DNA测序技术是现代生物学研究中重要的手段之一。
自从1977年第一代测序技术问世以来，经过三十几年的努力，DNA测序技术已经取得了很大的发展，在第一代和第二代测序技术的基础上，以单分子测序为特点的第三代测序技术已经诞生。
本文回顾了每一代测序技术的原理和特点，并对测序技术的发展趋势和它在生物学研究中的应用做了展望，以期更好地帮助人们理解测序技术在生命科学研究中的重要作用。
第二章、行业产业链分析
第一节、行业发展历程概述
1953年JamesWatson和FrancisCrick在Nature杂志上推测出DNA的三维结构（双螺旋）。
DNA以磷酸糖链形成发双股螺旋，脱氧核糖上的碱基按Chargaff规律构成双股磷酸糖链之间的碱基对。
这个模型表明DNA具有自身互补的结构，根据碱基对原则，DNA中贮存的遗传信息可以精确地进行复制。
他们的理论奠定了分子生物学的基础。
1973年，斯坦福大学的科恩和旧金山加州大学的博耶共同实现了基因重组技术。
1977年Sanger发明双脱氧DNA测序方法
1981年Sanger获得诺贝尔奖，同时也是蛋白质测序的发明者
上世纪80年代~90年代ABI公司发明并销售3730系列基因分析仪
人类基因组计划（humangenomeproject,HGP）是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。
美国、英国、法兰西共和国、德意志联邦共和国、日本和我国科学家共同参与了这一预算达30亿美元的人类基因组计划。
按照这个计划的设想，在2005年，要把人体内约10万个基因的密码全部解开，同时绘制出人类基因的谱图。
换句话说，就是要揭开组成人体4万个基因的30亿个碱基对的秘密。
人类基因组计划与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称为三大科学计划。
1990年，美国能源部（DOE）与国立卫生研究院（NIH）共同启动HGP，原定投入30亿美元，用15年时间完成该计划。
英、日、法、德等国相继加入。
1994年，中国HGP在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明的倡导下启动，最初由国家自然科学基金会和863高科技计划的支持下，先后启动了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”和“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构和功能研究”，
1998年5月11日，世界上最大的测序仪生产商美国PEBiosystems公司，以其刚研制成功的300台最新毛细管自动测序仪（ABI3700）和3亿美元资金，成立了CeleraGenomics公司，宣称要在3年内，以所谓的“人类全基因组霰弹法测序策略”完成人类基因组测序
1998年，组建了中科院遗传所，1999年在北京成立了北方人类基因组中心。
1999年7月在国际人类基因组注册，得到完成人类3号染色体短臂上一个约30Mb区域的测序任务，该区域约占人类整个基因组的1%。
人类基因组计划（Humangenomeproject）由美国于1987年启动，中国于1999年9月积极参加到这项研究计划中的，承担其中1%的任务，即人类3号染色体短臂上约3000万个碱基对的测序任务。
中国因此成为参加这项研究计划的唯一的发展中国家。
2005年454公司推出了基于焦磷酸测序法的高通量基因组测序系统——GenomeSequencer20System。
这一技术开创了边合成边测序（sequencingbysynthesis）的先河,被《Nature》杂志以里程碑事件报道。
之后,454公司被罗氏诊断公司收购。
1年后,他们又推出了性能更优的第二代基因组测序系统——GenomeSequencerFLXSystem（GSFLX）。
2008年10月,Roche454在不改变GSFLX的情况下,推出了全新的测序试剂——GSFLXTitanium,全面提升了测序的准确性、读长和测序通量。
目前,Roche454GSFLXTitanium每次运行能产生100万条序列,平均读长能达到400nt,且第400个碱基的准确率能达到99%。
一次运行所需时间为10h,能获得4~6亿个碱基序列信息。
21世纪被称为生命科学和生物技术的时代，生物技术在医疗卫生、农业、环保、轻化工、食品保健等重要领域对改善人类健康状况及生存环境、提高农牧业以及工业的产量与质量都正在发挥着越来越重要的作用。
目前生物技术（Biotechnology, BT）已经成为现代科技研究和开发的重点。
在发达国家，生物技术已经成为一个新的经济增长点，其增长速度大致是在25%~30%，是整个经济增长平均数的8~10倍左右。
虽然由于研发成本高等原因，近期内生物技术产业本身还无法实现全面的赢利，但随着它的日益普及，这一天也将为期不远。
第二节、上游行业与本行业的关联性分析
一、测序仪
新一代测序是2005年之后涌现出的新型测序方法，也是生命科学中发展最快的领域。
除了Illumina、罗氏454和LifeTechnologies公司开发的新一代测序技术，近几年第三代测序技术也在蓬勃发展。
这些单分子测序平台摒弃了预扩增，并实现了更长的读长。
2012年1月10日，来自美国旧金山的消息——Illumina公司（纳斯达克代码：
ILMN）宣布推出了HiSeq2500，这款新一代的测序系统将让研究人员和临床医生能够在大约24小时内完成整个基因组的测序，即“一天一个基因组”
2012年3月29日，生命科学厂商LifeTechnoligies公司宣布在中国推出新的台式基因测序仪IonIon ProtonTM。
LifeTechnologies大中华区基因分析事业部高级总监DalePatterson称，借助该产品技术，只需1000美元即可在一天时间内完成个人全基因组测序。
分析报告指出，2011年全球新一代测序的市场规模已达8.425亿美元，预计2011-2016年的复合年平均增长率为22.7%。
其中，北美占了全球市场51.8%的份额，2011年市场规模为4.36亿美元。
欧洲仅次于北美，占了31.1%的份额，预计2011-2016年的复合年平均增长率为21.1%。
随着新一代测序的快速发展，它将彻底改变科研实验室、生物制药以及应用市场的医学研究。
目前测序市场的主要参与者包括CompleGenomics（美国）、Illumina（美国）、LifeTechnologies（美国）、罗氏454（瑞士）、OxfordNanoporeTechnologies（英国）和PacificBiosciences（美国）。
它的主要应用包括全基因组测序、外显子组测序、定向重测序、转录组测序、RNA测序和ChIP-seq。
市场上的新兴平台包括那些专注于纳米孔技术的平台。
目前已面市的个人化基因测算设备如下：
IIIuminaHi-Seq2500是IIIumina公司最新推出的测序系统，研究人员和医生能够使用它在24小时内完成整个个人基因组的测序，实现“一天一个基因组”。
并且无需昂贵的费用，仅仅通过在Hi-Seq2000的基础上实施一个简单的现场升级就可实现。
PacBioRS测序仪系统是太平洋生物技术公司（PacificBiosciences）基于单分子实时（SMRT）测序技术的第三代测序平台，可以在一天内完成从样品制备到测序和读取序列的全过程，有希望实现便宜的个人基因组测序。
特点是：
读长最长，错误率低。
目前售价约为70万美元。
IonProton是生命科技公司（LifeTechnologies）推出的最新款台式测序仪，延续了PGM“芯片就是测序仪”的设计理念，体积只有普通打印机大小，仅需1天便可完成个人完整基因测序，费用约为1000美元。
IonProton将使外显子组测序成本降低至500美元，仪器标价约为14.9万美元。
MinION牛津纳米孔公司（OxfordNanoporeTechnologies）推出的迷你测序器，只有U盘大小，可以像U盘一样插入电脑读取数据，一次性使用，简便易携带，售价约900美元，可用于个人化药物的研究，对新的菌株进行识别、监测伤口护理情况以及用于保证食品安全。
斯巴达生物科学公司（SpartanBioscience）“即插即用”的基因型测量设备，只有鞋盒大小。
护士使用该设备，只需要1小时就可以得到病人的基因型图，以便于对基因变种进行药物处理，甚至可以手术床边对病人实现快速扫描。
目前免费发放测试设备，每次收取200美元的测试费。
二、应用软件系统
生物技术发展需要特定软件技术的支持。
生物技术及其产业的发展对于生物技术类软件的需求将进一步增加，软件技术将成为支撑生物技术及其产业发展的关键力量之一。
在生物技术各领域中均需要相应的专业软件来支撑：
1）各类生物技术数据库的构建需要性能优良、更新换代迅速的软件技术；2）核酸低级结构分析、引物设计、质粒绘图、序列分析、蛋白质低级结构分析、生化反应模拟等等也需要相应的软件及其技术支撑；3）加强生物安全管理与生物信息安全管理也离不开软件及其技术发展的支持。
生物信息学的研究需要应用到多种类型的软件，主要来源于各大科研机构和生物信息学组织在主流研究平台上发布。
因此应用软件系统来源较为便捷，成本较低。
三、计算机服务器平台
现代生物信息研究对大规模科学计算有很深的依赖，平台性能对于科研进度及质量影响很大，随着实验室的不断的发展，亟需一套高性能服务器平台，综合运用计算机科学、生物学的各种工具来阐明和理解大量数据所包含的生物学意义。
通过高性能服务器集群的并行算法，对获取的生物信息进行分配、分析、存储、解释，同时，还要满足基因比对排列运算、基因语言与调控、功能基因组学等自行开发的应用需要。
随着我国电子信息业的高速发展，计算机服务器的性能也在不断升级，对本行业构成了较大的支撑作用。
第三节、下游行业与本行业的关联性分析
一、基础科研服务
针对生物基因工程项目研究过程中产生的海量生物信息数据，通过生物信息技术服务平台的搭建，为从事生命科学领域基础科研项目研究的科研机构及高校实验室提供包括基因组、人类外显子组、泛基因组、宏基因组、转录组、小RNA的测序及生物信息分析，表观基因组学的研究，生物基因信息挖掘，与科研机构联合申报项目、项目研发合作等个性化的生物信息学研究服务。
同时在服务过程中，探索新的研究方法及技术产品，帮助科学家们能够有针对性的实施科学探索及研究，提高科研效率，创造出更多的科研成果。
从而推动人类生物信息学研究的快速发展，创造社会价值。
二、终端产业合作与研发
自1972年DNA重组技术诞生以来,生命科学进入了一个崭新的发展时期。
以基因工程为核心的现代生物信息技术已应用到农业、制药、医疗、能源、环境等各个领域。
它与微电子技术、新材料和新能源技术一起,并列为影响未来国计民生的四大科学技术支柱,而利用基因工程技术开发新型药物更是当前最活跃和发展迅猛的领域。
1、生物农业
基因在农业生产上的应用已经非常广泛,它是控制生物性状的基本单位,记录着生物生殖繁衍的遗传信息。
并且通过修改基因能改变一个有机体的部分或全部特征。
它的作用主要是以转基因技术和基因克隆技为核心。
通过它们改良动植物的品种,从而大大提高经济效益。
（1）动物基因在农业上的应用
1）生产激素和药用蛋白
转基因动物生产激素和药用蛋白，被称为“基因农场”。
其具有表达后加工、安全性好等特点。
2）改良畜禽品种，获得优良性状
人们希望育成少食多长、少肥多瘦、少病多奶的优良畜禽。
自第一例转基因巨鼠试验成功后，转基因猪、转基因鸡、转基因鱼、转基因羊等陆续出现，这些动物获得外源性状，品质得到大幅提高。
如带有生长激素基因的动物具有生长周期短、饲料利用率高的特点。
英国科学家克隆绵羊的成功，为解决转基因动物的遗传稳定性提供了很好的方法，也促进了动物基因工程的发展。
（2）植物基因在农业上的应用
1）利用生物基因技术培育抗虫害作物
虫害严重影响农业生产，影响作物的产量和品质，制约农业经济的稳定发展。
全世界粮食产量因虫害所造成的损失占14%左右。
昆虫有一半以异物为食，对农作物、牧草和植被等造成极大伤害。
而使用农药曾一度抑制虫害，但长期使用会诱导虫害产生抗药性、环境污染、药残毒增加等。
利用生物基因信息技术，科学家通过对基因序列、结构及功能的分析和寻找，植入豆胰蛋白酶抑制剂基因、神经肤基因，可以培育出抗虫害的农作物种苗，如马铃薯、棉花、番茄等。
2）生产抗除草剂
新的除草剂必须具有高效、广谱的杀草能力，而对作物及人畜无害，在土壤中的残留要短，不能增加农业成本太多。
通过生物基因信息技术可以提高除草剂的选择性及对农作物的安全性。
如：
将靶酶基因导入作物的细胞、或把降解除草剂的编码基因导入宿主植物，还可通过突变的方法改变除草剂作用植物特定位点上相应氨基酸残基，均获得抗相应除草剂的转基植物。
给农业生产特别是大面积机械化生产带来很大方便。
3）提高农作物的蛋白质含量
谷类和豆科植物种子含有丰富的蛋白质、脂类和糖类。
粮食的营养价值在很大程度上取决于贮藏蛋白的氨基酸的成分。
如：
将双子叶植物的种子蛋白基因转移到禾谷类作物中，或将已有的基因经过碱基突变改造后植入植物，指导合成极限氨基酸含量高的蛋白质，以提高转基因作物种子贮藏蛋白的营养价值，提高农产品的经济价值。
4）生产药用蛋白
利用转基因植物生产药物，具有常规微生物发酵生产系统所不可比拟的优越性，它可以在自身细胞内完成蛋白质的后加工，使生产的药物更有利于人体吸收，避免微生物生产可能带来的毒副作用，不需要大规模的发酵设备，并能大面积种植。
5）调控植物激素和生长发育
对植物生殖生长过程（包括花的形成、发育、雄性不育、自交不亲和性、胚胎发育等）的调控，在作物生产及园艺上均十分重要。
通过外源基因因子的植入，改变生长周期和发育质量。
2、生物制药
基因工程药物,主要是指利用重组DNA技术,将生物体内生理活性物质的基因在细菌、酵母、动物细胞或转基因动植物中大量表达生产的新型药物。
利用基因工程技术开发新型治疗药物是当前最活跃和发展最快的领域。
自1982年世界第一个基因工程药物——重组胰岛素投放市场以来，基因工程药物就成为只要行业的一支奇兵，开发成功了多种药品，诸如人胰岛素、忍尿激酶、人生长激素、干扰素、激活剂、乙肝疫苗等，广泛应用于治疗癌症、肝炎、发育不良、糖尿病和一些遗传病上，在很多领域特别是疑难病症上，起到了传统化学药物难以达到的作用。
药物研究是生物信息学研究中最具应用前景的领域，利用生物信息学手段研究和开发新的治疗性药物，将是21世纪生物医药发展的总的趋势。
传统的药物研究，从发现新药到该药物的临床应用，大约需要10年左右的时间，其研发费用更是高达几亿甚至十几亿美元。
生物信息学应用基因序列比对、蛋白质结构预测等方法对获得的这些基因和蛋白质的数据进行分析和计算，从中发现能够与药物相结合的关键的蛋白质结构或功能性基因，即药物的作用靶点，到目前为止，根据人类基因组研究结果预测的药物靶标可达5000-10000个。
在此基础上，药物研发人员一方面可以利用计算机模拟的方式，将所获得的蛋白质结构或功能性基因信息直接用于新药物的筛选，如磷脂酶A2抑制药物的筛选；另一方面，也可以将所获得的蛋白质结构或功能性基因信息加以分析，直接涉及出可能的药物，最后经人工合成或其它方法获得实际药物，这一方法已应用于反义寡核苷酸药物的研制。
显而易见，正是由于生物信息学的介入，使得药物研究在药物靶点发现、药物筛选和药物设计等方面产生了巨大的变革，不仅减少了前期研究和开发的盲目性，更有效缩短了药物研发周期，节约了大量的人力、物力。
3、生物医疗
基因治疗是指将人的正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入人体靶细胞以纠正基因的缺陷或者发挥治疗作用,从而达到治疗疾病目的的生物医学高技术。
基因治疗是通过基因置换、基因修正、基因修饰、基因失活等方式，向靶细胞或组织引入外源基因DNA或RNA片段，以纠正或补偿基因的缺陷，关闭或抑制异常表达的基因。
目前已从对单基因缺陷性遗传病的的基因替代治疗，拓展至对致病基因的修正和基因增强治疗，以及采用外源调理性细胞因子基因、核酶类及反义核酸类基因药物进行治疗。
目前基因治疗已经扩大到肿瘤、心血管系统疾病、神经系统疾病等的治疗。
通过对SCI数据库的文献计量发现，近10年来，相关研究呈持续上升趋势，说明此领域的研究关注度持续上升，研究热点问题多。
可以预见，一旦基因治疗的稳定性和安全性得到证实，或者技术出现新的突破，将推动大量已处于临床阶段的基因治疗药物涌向市场。
图表1基因治疗在美国专利与SCI文献中的年度趋势
4、环境保护
环境保护是人类目前面临的与人类前途生死攸关的重大问题。
利用生物基因信息技术提高微生物净化环境的能力是是现代生物技术应用于环境治理的一项关键技术。
通过基因重组，人们可以根据需要将某种微生物的基因转移到另一种微生物中，创造一些对有害物质分解能力更强、更能适应环境要求的新菌种。
利用微生物分解各种废弃物的同时能产生出重要的工业原料是转基因微生物应用的一个重点，植物的纤维素和木质素是木材工业中常见的废弃物，人们可利用转基因微生物来分解纤维素，生产工业用的原料，如乙醇等石油化工产品。
许多低耗能、少污染的基因工程逐渐取代高耗能、高污染的化工产业已成为一种趋势。
5、生物能源
随着全球性能源危机和粮食危机的到来，生物乙醇的研究发展和生产已经引起世界各国的高度重视。
以玉米、蔗糖等粮食作物为代表的生物乙醇燃料，由于存在“与人争食，与粮争地”的弊端，因此，近年，很多国家开始并加大倡导新型生物燃料的研制与商业化。
特别是2008年金融危机后，作为国家能源战略多元化的重要渠道，各国致力于发展新型生物燃料，新的政策措施也不断出台。
目前全球新型生物燃料的开发还未走出试验阶段，据业界专家估计，新型生物燃料的真正商业化要等到2015年。
清华大学新能源研究所副所长李十中教授介绍，在技术方面，天然植物纤维很难合成高能量的生物燃料，找到新的微生物代谢过程可以帮助合成高能量的乙醇，这是技术难点之一。
不同基因的表达是决定微生物代谢过程的关键。
现在，全球很多研究机构和生物公司都在进行寻找新基因的工作，我国研究机构和众多企业也在加大这方面的研究和国际合作。
清华大学的研究人员希望通过创建一个大肠杆菌的基因组家族，以高通量和大规模的数据分析技术实现对基因组的基因识别，从中取得更高的识别精度以找到更佳的基因，通过转基因工程制造一种转基因大肠杆菌，（一种与食物中毒有关的细菌）其可以产生一种生物乙醇所必不可少的长链醇。
加大新型生物燃料的研究和产业化投入的方向已列入正在制定的“中国2011-2020年的新兴能源产业发展规划”中。
然而，在大肠杆菌和植物中发现有效的基因是在中国发展生物燃料能源工业中关键的一步。
随着新兴的生物技术，可以产生极大量基因芯片数据，不理解这些数据，就不可能利用生物技术的优势发展生物燃料产业。
计算方法是处理基因数据的关键，并可以提供给科学家有关基因的重要信息。
三、个性化医疗服务
在医学领域中，根据每个人DNA的序列差异化的存在，个性化医疗方案将逐步替代千人用一药的传统医学治疗方案。
基因序列的获取将为人类的遗传疾病以及癌症等疾病的致病机理提供有利依据，并为接下来的分子诊断、基因治疗等个性化医疗提供必要前提条件，最终帮助人们达到有的放矢进行疾病的预防和治疗的目的。
更重要的是，通过基因治疗，不但可预防当事人日后发生疾病，还可预防其后代发生同样的疾病。
其次，当基因测序逐步普遍时，医生就能真正根据病人自己基因提供的信息，来提供“个性化治疗”。
随着现代医学的发展，人们对疾病治病机理的认识也不断深入，特别是人类基因组测序计划（HumanGenomeProject,HGP）的完成，以及后基因组时代对基因功能的研究成果，极大地帮助我们了解遗传因素在人类健康和疾病中的角色，并迅速将新发现用于疾病的预防、诊断和治疗。
美国国立卫生研究院（NationalInstitutesofHealth，NIH）在其为HGP的最初远景规划中清楚地表明，人类基因组序列将改善人的健康状况，而它后来的五年计划也再一次明确了这一观点。
随着HGP最初目标的完成，现在正是广泛发展和应用基因组战略改善人类健康、并预见和避免潜在伤害的时机，可以说，NIH的预期正在一步步实现。
后基因组时代的个性化医疗同传统医疗手段体现出很大的不同，它以对疾病遗传机理的深刻认识为基础，通过鉴定和检测个体的致病基因对疾病进行风险预测/诊断，进而选择最优选的方案进行预防/治疗。
这种革命性的诊疗手段目前已经渗透到社会的各个方面，对医疗领域、制药行业、健康保健、就业和保险等产生了深刻影响。
健康状况的差别是重大的全球问题之一，社会和其他的环境因素是产生这些健康状况差别的重要原因，但是，很多的事实表明，在相同的环境下，人们的健康状况也有天壤之别，因此，遗传因子在健康状况中也扮演重要角色。
通过基因检测，了解个体对疾病的易感性，对不同患病风险的人群提供不同的
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