卡爾·維特沃

“有嚴(yán)格方法論的人很少研究DNA。一個(gè)令人耳目一新的例外是卡爾·維特沃……卡爾對(duì)PCR的思考方式是其他人很少有的，他的想法清晰而實(shí)用?！薄訮CR技術(shù)的發(fā)明人、1993年諾獎(jiǎng)得主Kary B. Mullis書(shū)籍《Polymerase Chain Reaction》序言

卡爾·維特沃（Carl Wittwer）是Biofire的聯(lián)合創(chuàng)始人，也是學(xué)術(shù)界大牛。

他是猶他大學(xué)醫(yī)學(xué)院病理學(xué)教授（2020年退休），還是檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)頭牌雜志《Clinical Chemistry》的副主編。

迄今發(fā)表過(guò)200多篇文獻(xiàn)，學(xué)術(shù)成果斐然：

• 開(kāi)發(fā)了最早的快速PCR儀；

• 是熒光定量PCR的技術(shù)先驅(qū)；

• 將SYBR Green I和熔解曲線引入PCR；

• 發(fā)明了高分辨率熔解曲線分析；

2015年他還搞出了Extreme PCR（極限PCR?）技術(shù)，可以用14.7秒高效完成35個(gè)擴(kuò)增循環(huán)。

最牛的是，他的多數(shù)學(xué)術(shù)成果，都轉(zhuǎn)化成了產(chǎn)品。

更牛的是，他在PCR這條路上走了30多年。

成長(zhǎng)經(jīng)歷

卡爾·維特沃出生于1955年，他回憶說(shuō)小時(shí)候父母對(duì)他的管教極其寬松，青少年時(shí)期他喜歡在自家地下室里拆裝電器或者用郵購(gòu)的化學(xué)品制作煙火。

可能由于父親是化學(xué)家，他很早就對(duì)化學(xué)產(chǎn)生了興趣。1977年他從猶他州立大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)專業(yè)畢業(yè)后，先在密西根大學(xué)醫(yī)學(xué)院工作并于1982年獲得醫(yī)學(xué)博士學(xué)位。

博士期間他的課題是泛酰巰基乙胺酶的提純與表征，因?yàn)橛憛捗看巫鐾陮?shí)驗(yàn)都要花兩天時(shí)間去表征實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物，嚴(yán)重耽誤后續(xù)的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。

他開(kāi)始研究如何加快測(cè)試速度，花了一年多時(shí)間把分析測(cè)試的時(shí)間從2天縮短到了15-30分鐘。這是他追求測(cè)試速度的起源，這個(gè)過(guò)程中，他接觸到了流式細(xì)胞術(shù)。

卡爾·維特沃特別喜歡泡在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)他的想法，他曾經(jīng)特別喜歡滑翔傘運(yùn)動(dòng)，結(jié)果后來(lái)遠(yuǎn)離了這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)椤皫缀跛?span style="font-family: Optima-Regular, PingFangTC-light; font-size: 15px; letter-spacing: 1px;">有醒著的時(shí)間都是在實(shí)驗(yàn)室里度過(guò)的”。

2001年46歲時(shí)，娶了跟他拍拖8年的日本裔生物學(xué)家Noriko Kusukawa，Kusukawa曾任猶他大學(xué)ARUP 實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新和戰(zhàn)略投資副總裁。

Carl Wittwer和妻子Noriko Kusukawa

2020年他65歲時(shí)，卡爾·維特沃和妻子都從猶他大學(xué)退休，搬到了他們認(rèn)識(shí)時(shí)候所在的緬因州，還在家里建了一個(gè)配置齊全的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室。接受采訪時(shí)他說(shuō)退休后“我將做我喜歡做的事，以及我可能擅長(zhǎng)做的事”。

快速PCR儀

1982年博士畢業(yè)后卡爾·維特沃到猶他大學(xué)流式細(xì)胞術(shù)實(shí)驗(yàn)室工作，1988年他已經(jīng)是猶他大學(xué)病理學(xué)系助理教授，因?yàn)橐獮樗诘腁RUP參考實(shí)驗(yàn)室尋找新技術(shù)，他開(kāi)始接觸到PCR。

卡爾·維特沃展示機(jī)器原型，左邊為聯(lián)合創(chuàng)始人Randy Rasmussen

在用黑膠唱片機(jī)、吹風(fēng)機(jī)和真空吸塵器制作了儀器原型并多次迭代后（有一次演講上，他說(shuō)公司成立前迭代了5-10次，成立后又迭代了3次）。

1990年，為了將原型商業(yè)化，他跟朋友Kirk Ririe 和 發(fā)小Randy Rasmussen一起創(chuàng)立了Idaho Technology, Inc.，也就是后來(lái)的Biofire。這兩個(gè)名字，都能夠從八年前卡爾·維特沃的博士論文致謝部分找到。

當(dāng)時(shí)他從猶他大學(xué)獲得使用自己研究的許可（有的資料提到，Idaho是猶他大學(xué)的校企，也許就是技術(shù)入股？），因?yàn)檫@個(gè)Idaho還從美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院拿到了一筆STTR小額技術(shù)轉(zhuǎn)讓研究撥款。

Kirk Ririe最初學(xué)的是通信，是他猶他州州立大學(xué)的校友。創(chuàng)業(yè)前在家里的生產(chǎn)土豆收割機(jī)滾筒的工廠幫忙，Idaho最初的辦公地點(diǎn)就在這家公司。后來(lái)2005年還獲得了猶他大學(xué)的化學(xué)學(xué)士學(xué)位，導(dǎo)師就是卡爾·維特沃。

Randy Rasmussen是分子和細(xì)胞生物學(xué)博士。

他們?nèi)撕髞?lái)都擔(dān)任過(guò)Biofire公司或者子公司的CEO或者董事長(zhǎng)，合作多年。

后來(lái)Biofire的大賣(mài)特賣(mài)的分子POCT平臺(tái)FilmArray采用的柔性塑料袋，是Kirk Ririe設(shè)計(jì)的，據(jù)說(shuō)是他在麥當(dāng)勞陪娃時(shí)候，從擠番茄醬獲得的靈感。

創(chuàng)業(yè)當(dāng)年他們推出了Air Thermocycler，這是第一臺(tái)快速PCR儀，可容納 48 個(gè)樣品管和 4 個(gè)循環(huán)程序，在20分鐘內(nèi)完成 30 個(gè)循環(huán)。

憑借這款獨(dú)家產(chǎn)品，Idaho從創(chuàng)業(yè)當(dāng)年就開(kāi)始盈利。羅氏通過(guò)會(huì)議知道了他們，找上門(mén)來(lái)拿下了他們機(jī)器的全球分銷(xiāo)權(quán)。

跟賽沛一樣，Biofire也做生物防御檢測(cè)。2014年被梅里埃收購(gòu)后，分拆成BioFire Diagnostics和BioFire Defense兩個(gè)子公司，BioFire Diagnostics做診斷，BioFire Defense做生物防御檢測(cè)。

兩家公司貌似是同一批高管，辦公地點(diǎn)相隔不過(guò)10公里，另外從新冠期間產(chǎn)品的情況看，兩家子公司的分工似乎是一家負(fù)責(zé)研發(fā)一家負(fù)責(zé)生產(chǎn)。

熔解曲線、高分辨率熔解曲線分析

最初的PCR實(shí)驗(yàn)結(jié)束后需要開(kāi)管跑凝膠電泳，那一代研發(fā)人員一直在孜孜不倦的尋求不需要開(kāi)蓋的方法。1993年，Cetus公司的Russ Higuchi和同事偶然發(fā)明了熒光定量PCR。當(dāng)時(shí)采用的染料是EB（溴化乙錠），一個(gè)循環(huán)獲取一次熒光信號(hào)。

卡爾·維特沃最先將流式細(xì)胞術(shù)里的SYBR Green I引入到PCR中，替代EB。

為配套SYBR Green I檢測(cè)，他把流式細(xì)胞儀光學(xué)元件引入到PCR中，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) PCR過(guò)程。

1996年，Idaho推出熒光定量PCR儀LightCycler，第一版剛推出，羅氏就收購(gòu)了這款產(chǎn)品的多種權(quán)限。

在調(diào)整流式細(xì)胞儀的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)候，通過(guò)連續(xù)獲取熒光和溫度信息，他們偶然觀察到DNA熔解現(xiàn)象。直接就將原本需要數(shù)小時(shí)，采用紫外線吸光度測(cè)量的溶解曲線分析縮短到幾分鐘。

再后來(lái)，又一次偶然發(fā)現(xiàn)，使用一個(gè)探針就可以進(jìn)行基因分型，他們更進(jìn)一步簡(jiǎn)化了熔解曲線分析方法。

但卡爾·維特沃覺(jué)得熔解曲線質(zhì)量并不高，很難檢測(cè)到微小差異。2000年，他啟動(dòng)高分辨率熔解曲線分析儀的開(kāi)發(fā)，他想知道，如果把溶解曲線做的更精細(xì)能獲得哪些額外信息。

期間他們合成了30多種染料，通過(guò)新的儀器、新的軟件和新的染料，最終成功開(kāi)發(fā)出高分辨率熔解曲線分析方法。新開(kāi)發(fā)的方法具有極高的靈敏度，甚至可以直接用染料而非標(biāo)記探針準(zhǔn)確地區(qū)分單堿基突變。

Extreme PCR-打破共識(shí)

“他只相信他自己在實(shí)驗(yàn)室做出來(lái)的東西。”“而且別人認(rèn)為理所應(yīng)當(dāng)?shù)氖虑樗麖牟幌氘?dāng)然，他總是在研究基本假設(shè)”。——Biofire聯(lián)合創(chuàng)始人 Randy Rasmussen

2010年左右，經(jīng)過(guò)了20多年發(fā)展，而且PCR的很多核心專利已經(jīng)過(guò)期，PCR儀的溫度循環(huán)已經(jīng)很快，但是采用快速循環(huán)的PCR效率很低，靈敏度明顯下降。

在完成了諸多發(fā)明之后，卡爾·維特沃又回到他接觸PCR時(shí)候的第一個(gè)興趣：提高PCR的速度。

關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的速度，初中化學(xué)課本就介紹過(guò)：反應(yīng)物濃度越高，速率越快。在PCR上，就是提高引物和酶的濃度。當(dāng)時(shí)大家已經(jīng)有了一個(gè)共識(shí)：引物和酶濃度，會(huì)導(dǎo)致或?qū)?dǎo)致非特異性擴(kuò)增，反而降低PCR速率。

沒(méi)有止步于這個(gè)共識(shí)，卡爾·維特沃開(kāi)始思考：有沒(méi)有可能在提高引物和酶濃度的情況下保證特異性。他先系統(tǒng)研究了各種試劑和參數(shù)對(duì)PCR的影響，然后開(kāi)始同時(shí)調(diào)整濃度和反應(yīng)時(shí)間。

在將引物濃度、酶濃度和鎂離子濃度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，將二級(jí)反應(yīng)變成了速度很快的偽一級(jí)反應(yīng)后。開(kāi)始慢慢縮短每個(gè)循環(huán)的時(shí)間，由于沒(méi)有合適的擴(kuò)增設(shè)備，他們又回到了水浴鍋，將體積更小、壁更薄的毛細(xì)管在不同溫度的水浴鍋中快速切換。

在將每個(gè)循環(huán)的時(shí)間縮短到0.4-0.6s時(shí)，出現(xiàn)了魔幻般的結(jié)果：特異性比常規(guī)PCR更好。也許因?yàn)闇囟惹袚Q太快，也許非特異性結(jié)合的反應(yīng)速度不如特異性結(jié)合？反正，沒(méi)有時(shí)間去產(chǎn)生非特異性產(chǎn)物。

卡爾·維特沃實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站發(fā)布的Extreme PCR原型視頻

2014年，他們開(kāi)發(fā)出Extreme PCR，采用薄壁毛細(xì)擴(kuò)增管（1mm外徑，0.8mm內(nèi)徑）或者19號(hào)皮下注射針（1mm內(nèi)徑，2mm外徑）。采用常規(guī)的非熱啟動(dòng)酶，0.4-2s一個(gè)循環(huán)，可在14.7秒將60bp的靶標(biāo)特異性擴(kuò)增35個(gè)循環(huán)。

Extreme?PCR原型視頻拍攝的是此圖右上角部分

為了實(shí)現(xiàn)這種極限變溫速度，擴(kuò)增設(shè)備也要重新開(kāi)發(fā)。

卡爾·維特沃講座PPT里的微流控薄片

Extreme PCR專利是2021 年獲得的，基于此技術(shù)的工程化（可能是薄片微流控形式），Biofire在2022年初推出了其小型化系統(tǒng)的BioFire SpotFire，可以在15分鐘內(nèi)完成檢測(cè)，采用Extreme PCR擴(kuò)增，用高分辨率溶解曲線分析讀取結(jié)果。

補(bǔ)充

卡爾·維特沃實(shí)驗(yàn)室官網(wǎng)、Biofire官網(wǎng)、AACC官網(wǎng)上有一些卡爾·維特沃的采訪錄音和講座文檔，我整理了一些片段：

他并不想做公司，但是想用PCR儀，所以只能商業(yè)化。

新想法的核心過(guò)程只能來(lái)自個(gè)人，因?yàn)橹挥凶约翰艜?huì)癡迷自己的想法，才會(huì)念念不忘去實(shí)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)則可以幫著拓展想法。

因?yàn)閯?chuàng)新只能來(lái)自于個(gè)人和個(gè)人實(shí)驗(yàn)室，所以不是要想辦法控制他們，要發(fā)展創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，要給他們授權(quán)。

思維的火花可能會(huì)閃電般的出現(xiàn)，要有足夠的決心去逐步嘗試你的想法。這是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，可能會(huì)一遍遍的失敗，但這個(gè)過(guò)程中，你會(huì)變得越來(lái)越好，也只有這個(gè)過(guò)程能真正產(chǎn)生發(fā)明。

原型設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)際上是在實(shí)踐中學(xué)習(xí)的過(guò)程，最后在實(shí)踐中發(fā)明。

工程師會(huì)按照被教導(dǎo)出來(lái)的方式建造東西，但外行可能會(huì)想出更新穎更便宜的實(shí)現(xiàn)方式。

當(dāng)公司越來(lái)越大，在系統(tǒng)、控制和質(zhì)量控制方面可能會(huì)做的很好，但會(huì)失去破壞性創(chuàng)新的能力。

在合作的過(guò)程中，要讓參與的人都能從中得到收獲，才能真正成功。

梅里埃整合Biofire時(shí)，并沒(méi)有把公司搬走，也沒(méi)有裁員，還保留了高管。因?yàn)樗麄儾粌H對(duì)產(chǎn)品感興趣，還對(duì)Biofire產(chǎn)生創(chuàng)新的生態(tài)系統(tǒng)感興趣。最終成功的把Biofire這個(gè)小公司整合到了大公司。

后記

然后我個(gè)人印象最深刻的有兩個(gè)方面：

卡爾·維特沃把做實(shí)驗(yàn)當(dāng)成了愛(ài)好，退休后都還要親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)。（難道因?yàn)閷?duì)實(shí)驗(yàn)熟悉，能夠從中發(fā)現(xiàn)別人發(fā)現(xiàn)不了的現(xiàn)象？）

幾個(gè)合作伙伴都是技術(shù)出身，一直沒(méi)有鬧掰，而且其中至少兩位持續(xù)在做產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。很好奇卡爾·維特沃所說(shuō)的創(chuàng)新生態(tài)是什么樣的。

參考資料：

卡爾·維特沃實(shí)驗(yàn)室官網(wǎng)（https://dna-utah.org/index.html）、Biofire官網(wǎng)、AACC官網(wǎng)、生物梅里埃官網(wǎng)、猶他大學(xué)官網(wǎng)、猶他大學(xué)ARUP實(shí)驗(yàn)室官網(wǎng)、猶他州州立大學(xué)官網(wǎng)、谷歌學(xué)術(shù)、維基百科

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公司簡(jiǎn)介

德國(guó)維潤(rùn)賽潤(rùn)（Institut VirionSerion GmbH）成立于1978年，是國(guó)際知名的診斷產(chǎn)業(yè)原料生產(chǎn)商和供應(yīng)商。公司的研發(fā)和生產(chǎn)基地位于德國(guó)維爾茨堡，已通過(guò)DIN EN ISO 13485質(zhì)量體系認(rèn)證，擁有三級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室(P3實(shí)驗(yàn)室)。經(jīng)過(guò)了40余年的發(fā)展，公司構(gòu)建了豐富的生物原料產(chǎn)品線，主要包括天然抗原、重組抗原、人源化單克隆抗體和磁珠等。

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