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未来基因技术猜想:生物密码,或让你的隐私无处可藏

2016/02/01 来源:机器之心
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导读
除非你毫不关心,过去几年在基因科学方面可是发生了很多事。比如,现在已经可以读取人类基因组并改正所有已知有问题的基因。这听起来或许不寒而栗,但基因科学已经在科幻现实里有了一席之地。未来你所触摸的、舔舐的或咀嚼过的随地乱丢的垃圾,比如口香糖或纸巾,都能让你的脸出现在公交站台上。

来自墨西哥死亡区域的微生物DNA片段核苷酸ESOM映射。
彩色分组代表着根据DNA序列不同而最新发现的物种,旨在理解涉及氮循环的组织。
图片来自:Brett Baker/UTMSI/Cameron Thrash (LSU)

Dawn Field是自然环境研究委员会生态水文中心、牛津生物多样性研究所和华盛顿史密森学会的成员,她的最新出版书籍是《生物密码:基因新纪元》( Biocode: The New Age of Genomics)。除非你毫不关心,过去几年在基因科学方面可是发生了很多事。比如,现在已经可以读取人类基因组并改正所有已知有问题的基因。这听起来或许不寒而栗,但基因科学已经在科幻现实里有了一席之地。

就在2010年,马里兰Craig Venter带领的团队让我们进入到了人造基因的时代,彼时,他们创造了Synthia,是世界上第一个由计算机“生育”出来的活体。虽然只是一个简单的细菌,基因组的DNA长度只有50多万字长,但前途不可估量:人造酵母和蠕虫项目已经蓄势待发了。

在Syhthia诞生两年后,基因测序已经非常强大,被用来给全新发现的、8000年以前的人类物种丹尼索瓦达人的基因进行测序,该人种发现于西伯利亚的一个冰冻洞穴里的一块小指骨。2015年,英国成为第一个将“三亲婴儿”合法化的国家——三亲婴儿指的是拥有父亲、生母和另一个捐献健康线粒体(所有人类细胞中都有的能量制造单元)基因的女性的婴儿。

正如我们所知的,基因能够改变生物,因此该技术导致了又一轮伦理争论。人们对此表达了不安,不只是那些普通大众,就是科学家们那些高谈阔论的文章和采访中也是如此。当中国在去年4月宣布修改了人类胚胎时,术语“CRISPR/Cas9”在社交媒体Twitter上引爆了讨论。CRISPR/Cas9是一种蛋白质与RNA的组合物,能够保护细菌免受病毒侵袭。适当的加以应用,能够使科学家以惊人的精度对活体细胞的DNA序列进行编辑。比如说,它被用来展示HIV能够从人类基因组中除掉,母蚊子能够被转化成公的以便阻隔疟疾的传播(只有母蚊子叮咬才会传播疟疾)。

但是CRISPR的共同研发者之一,来自加州大学的Jennifer Doudna表示,由于伦理问题尚未有决断,因此非常不建议任何对人类基因进行修改的尝试。好吧,感谢中国,此路不通了。确实,现在该技术似乎找到了它的方式流向爱好者手中:《自然》最近报导称“生物黑客”亚文化成员已经开始研究“CRISPR”,然而他们面试的爱好者似乎并不太清楚他到底想用它干嘛。

考虑到我们的基因能力似乎即将触及临界阈值,值得来好好看看接下来几年会发生什么?比如,DNA能够解决紧迫的能源问题吗?有一个项目试图改造出能在黑暗中发光的树。你现在就能先预定一个了——至少能预定颗种子;树木长成可得好长时间。可能距离街边满是生物发光的植物那天并不遥远。这大概将使电力路灯变成过去,就像很多其他的高能源消耗的老式技术一样。

但这并不是未来5-10年能够落地的唯一潜在革命性项目。Venter正在重编译猪肺基因,以便能够用于人体移植。这也比目前所能看到的有更广的影响:欧洲大约有十分之一的死亡是由肺病引起的。另外,Venter也试图用DNA序列找到火星上的生命,并发明了一种“生物瞬移”方法——将火星上的微生物DNA进行测序,然后在地球上用3D打印重建基因。这一过程反过来也行。Venter和马斯克还讨论过使用该技术和3D打印地球微生物一起将火星地球化。当然,这整件事让人匪夷所思,但Venter和马斯克确实有此计划。不管如何,我们可能应该开启我们的地平线之旅了。

到2020年时,很多医院都会有基因医疗部门,基于个人的基因组成设计医疗方案。基因序列——机器能够采血样出具整个基因蓝图——会缩小到仅用U盘就能装得下。超级市场里可能会有货架摆放着家用DNA测试设备,可能处于化妆品和药品之间,琳琅满目,包括你家孩子是否擅长体育,你刚收养的猫是否好养,甚至厨房橱柜是否有足够的有益细菌。我们会知道某人因医疗原因对他的基因进行了探测,可能甚至我们自己也会如此。个人的DNA故事——包括肠子里虫子质量的好坏——会成为茶余饭后的谈资。

到2025年,预测表明我们会完成几十亿人的基因测序。大部分是由于癌症基因组领域的指数级增长。苹果联合创始人乔布斯是早期接收基因治疗的人之一,当时他得了癌症,对他的基因进行了测序。很多人会继续。我们会变得越来越想要知道基因会告诉我们些什么。就好像女演员安吉丽娜·朱莉选择进行双乳切除手术以防止其演变成乳癌,社会会觉得基于广泛的基因和基因组合情况做决定没什么大不了。已经有研究将此定义为“安吉丽娜·朱莉效应”,随着她的公开宣言,通过DNA测试来了解获得乳癌风险几率的女性人数已经翻了一倍。

不管好坏,我们会逐渐通过DNA来确诊自己的问题。有暗示表明这种现象已经存在于类似ApoE基因(最出名的导致阿兹海默疾病的基因决定因子)一类的疾病基因隐私问题了。2007年,James Watson——DNA结构发现者之一——成为第二个将其基因进行测序的人。他拒绝去了解他是否有ApoE基因,害怕他会有和他妈妈一样的命运,他妈妈就死于老年痴呆。而相反,开放基因组的拥护者John Wilbanks大方承认他有患阿兹海默的风险。社会会研发展出新的规范来处理这样的老年痴呆病,但到底是更倾向Watson还是Wilbanks还尚不明确。

可能影响最显着的长期社会变化就是DNA的成果会朝向美国未来学家和企业家Peter Diamandis称之为“完美知识”的方向发展。

Diamandis似乎是主要考虑到无处不在的摄像头:有了世界各地收集数据的几十亿传感器(自动汽车、卫星系统、无人机、可穿戴设备、摄像头),你能够在任何时间、任何地点知道任何你想知道的事,并通过数据找到答案和观点。

你已经能在某些地方看到他所想表达的意思了:比如,地理。由于卫星成像,我们能够看到地球的整个表面,不会有未发现的大陆。世界地图是完整的。我们也应该对基因报以同样的期待。DNA测试会变得如此普遍,将会改变医疗、法律和社会根本。如果全人类基因测序开始实施,不太可能会阻碍人类关系或忽视DNA中的内容。

你所触摸的、舔舐的或咀嚼过的随地乱丢的垃圾,比如口香糖或纸巾,都能让你的脸出现在公交站台上。

关于DNA应用的可能未来已经得到了广泛传播。DNA测序已经是犯罪证据的黄金标准。只需要一根头发,一个指纹或者一杯喝过的水,就能提取到足够的DNA来确定罪犯,而在FBI的CODIS数据库中有几百万个DNA样本进行匹配。有些门禁森严的社区还会要求提供宠物的DNA。宠物拥有者如果因宠物弄脏了公共空间还会受到罚款:当局只需要比对他们拾取的污物和强制性宠物登记时的数据即可。在香港,对那些乱丢垃圾的人也是如此。你所触摸的、舔舐的或咀嚼过的随地乱丢的垃圾,比如口香糖或纸巾,都能让你的脸出现在公交站台上。DNA识别的最新研究使得类似生命的3D重建得以实现。

接下来呢?大概全基因组登记不远了。现在已经存在有限程度的基因组登记,是由早期接受者基于自愿原则贡献出来的。还有几个百万人基因组项目。加州消费遗传学公司23andMe吹嘘它有超过100万的消费者。国家基因组计划正在全球各地展开,由冰岛类的国家领导,该国家目前为止已经给1/3的人口在基于自愿原则情况下进行了基因测序和推断。另一方面,科威特引进强制DNA测序作为一种反恐手段,对其全部人口进行测序。

坦白来说,这样一种建档社会政策结果打破了我对未来的认知。特定警告似乎并非误报,因为如果任何一项技术使其本身得到全国或私人滥用,那么就是值得引起反思的。但我的兴趣在于基本的科学,虽然地球上每个人都进行基因登记会是有史以来最浩大的科学工程之一,但仍然只触及了基因技术所能实现的目标的表层。

我们开始将地球上的DNA当成整体来思考,所有的生命,包括人类,最终都只存在于一个系统之中,我们的这颗淡蓝色星球。让我们给它起个名字吧,让我们把地球上的DNA总和叫做“生物密码”。科学家们估测过生物密码的大小。把基因大小的信息和不同生物的生物量信息结合起来考虑,生物密码的大小超过±3.6×10^31百万对碱基。把从细菌到蜜蜂到鸟类的所有生物基因大小和地球所有生物总数相乘,估计DNA重量达到500亿吨。这些看不见的生命密码将会填满10亿个集装箱。

我们对之又知道多少呢?非常非常少。我们仍然对其生物多样性感到震惊,尤其是看不见的大多数:微生物。我们知道不仅我们的肠道里塞满了几万亿的微生物细胞,整个星球也是如此。这些单细胞的微生物生命占据了这个星球生物量的50%,和基因多样性的90%。它是古老的,驱动了我们体内的生物化学循环,帮助地球孕育生命,而大部分并不为人所知。

但这将会发生变化。本世纪最伟大的成就之一就是找出生物密码的特征,不只是不同物种的基因组,还有相互交换的模式。我们对其大小的第一猜测打开了一扇大门。我们开始理解在过去它的构造如何有了波动,而在未来又会有何变化。我们会开始知道它是如何工作的。

到了2050年,我们会将目标定在最终不只是掌握人类基因多样性,而且掌握地球的生物多样性。我们有希望完成基于DNA的自然系统(Systema Natura),这一工作由分类之父林奈在1735年第一次提出。关键问题在于地球遗留下来的基因还会有多少。像是史密森全球基因组计划之类的项目正在试图冻结所有现存生物的DNA样本,以便在未来能够进行测序,既为了等到基因测序更便宜,也为了保护基因不在能够测序之前就灭绝。

更新版的自然系统不止说明了生命之间的真实进化关系,也说明了生态相关的基因交互方法。与此同时,我们仍然主要处于收集存储阶段。我们在读取从尼安德特人到长毛象、到纽约地铁系统里微生物等等一切事物的DNA。而在某个有趣的领域,我们取得了进展,比如:我们找到了熊猫生物密码的显着片段。它包括2%的所有现存熊猫的基因组,它们的首选食物竹子和熊猫微生物群的样本,这些微生物群能够消化纤维素,因此能使有着犬齿的食肉动物像食素动物一样活着,否则将无法消化这些植物。

如果所有生命都有DNA,并且与我们的星球有内部联系,那么整个行星生态环境能够比作是一台大型计算机。

但我们还有很长的路要走。地球上可能有超过200万种物种。地球微生物组项目将微生物分类成了大约900万种,只有一系列项目的其中之一对生命之树的分支进行了排序。这就是大科学(Big Science),事实上,这是有史以来最大的科学事业,是实际存在的行星基因组项目(Planetary Genome Project)。

估测生物基因大小的作者将DNA隐喻成制造大量思想的软件。如果所有生命都有DNA,并且连接至我们的星球,那么整个行星生态环境就能够比作是一台巨大的计算机。比如,因为有了生命,地球才有了含氧的大气。氧气来自于植物和微生物的DNA软件,它们利用阳光和二氧化碳来进行光合作用。地球的系统视图使我们能够做出进一步计算。假设计算机处理能力的速率达到信息由DNA序列转化为蛋白质的速率,这就意味着我们的行星计算能力是中国超级计算机天河二号的1022倍,而天河二号是目前最快的超级计算机。现代社会沉迷于计算机,而现在我们不得不想想我们就住在一台计算机里,至少在某些比喻意义上是这样。如果我们接受这一比喻,我们也不得不接受我们并不知道它是如何工作的。

当然,即使我们开发出了破译这台超级计算机密码的能力,我们也只是窃取了一部分,而大部分是无知的后果。我们面临着第六次大规模灭绝,将会在很短的地质时期里失去75%的物种。自从人类进化伊始,我们就在重编译生物密码,但速度在不断提升。更别提那些出名的令人震惊的基因灭绝事件:我们伐光了树林,种植单一物种,猎食捕鱼导致灭绝,大量毒药侵袭剩余的生物多样性,或强制性的将物种从栖息地迁移走。现在的灭绝速度可能是过去的100倍。在大部分情况,灭绝就像是彻底清除计算机硬盘。信息是不可逆转的。那些担心基因力量的人大部分害怕的是经过设计的婴儿、生物恐怖袭击、保险拒绝、基于DNA的歧视或者基因监控。可能我们更应该担心我们正在以恐怖的速度改写地球上的生命密码,而通常毫不考虑我们到底在做什么。

到2100年时,生物密码会变成非常显着的人造的吗?我们会看到工业生产定制的生物增加和没有计算机干预的天然生物减少,这样的猜想并不离奇。基因的未来是会陷入黑暗还是大放异彩,它的潜力能达到的最不可思议的部分是什么?生物密码自从35亿年前生命诞生之初就开始改造地球,不管人类做了什么,肯定会在未来以某种形式继续,无疑会产生令人兴奋的复杂性。甚至可能包括人类新物种,由即将到来的下一代制造,或许是巧合,或许是设计,或许是两者结合。

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