DNA 运算会让人类生物特徵迈向优化还是趋于一致?

既然我们能读取 DNA,就不难看出这套生物编码系统如何呼应电脑科学。近几十年来,数位变革大大促进了基因组学的革新,从而让 DNA 与某些崭新的电脑运算技术产生连结。毫无疑问地,DNA 的资料储存型态比过往数十年来的任何一种储存媒介都更长寿,不像软碟与光碟会随着时代被淘汰,只要人类本身跟读取 DNA 的技术一起存在,资料就可以一直保存。

DNA 运算可突破硬体限制

将资讯储存于 DNA 的另一项好处是容量够大,毕竟连人类基因组都能全部装进宽度介于 2~10 微米的细胞核里。以下我们稍做个比较,好让读者体会微米有多小:微米是 1 公尺的百万分之一,就算人类头髮的宽度也有 75 微米。科学家已经成功将莎士比亚共 154 首十四行诗,以及金恩博士(Martin Luther King)的演说「我有一个梦」26 秒语音剪辑档存入 DNA,同时也能分毫不差地读取出来。方法採用电子计算的二进位系统,只不过将数位资讯的 0 与 1 试着转换成 DNA 硷基 A、C、G、T 的四个字母,再予以排列组合。位元(0 或 I)是电脑讯息存取或操控的最小单位;以莎翁十四行诗全集来算的话,会有 520 万位元的资料编进 DNA。

撇开资料储存不提,DNA 运算本身的发展仍是十分令人着迷。起初,这项技术的研发是为了解决电脑科学研究者的难题。人们生活极度倚赖的个人电脑、平板电脑和智慧型手机规格一代比一代小,相应零件的生产技术限制越来越多,而且所费不赀。继续这样缩小下去,很快就会到达极限了。英代尔(Intel)的工程师预测,最快在二○一八年便会发生上述情况。不过有了 DNA 电脑,可以利用遗传分子作为输入单位,蛋白质等生物分子则充当处理器。传统电脑以循序渐进的方式处理资讯,运算起来相当费时;DNA 电脑可平行处理讯息,大大加快了速度。DNA 电脑是将漂浮的 DNA 分子或 RNA 分子装在试管里,或是固定在镀金的显微镜载玻片上,类似电路板的概念。问题以及解答的程式码,都可以编写进一组 DNA 分子,透过这种玻片来运算。

DNA 电脑有助于推动智能药物与个人化疗程

DNA 电脑还能用于传统电脑难以达到的地点与规模,例如细胞或人工合成的极薄材料,进而开发出可能的新用途,例如在细胞里植入生物电脑,既可识别产生病变的组织、选择执行自毁程序,或重新编写细胞里受损的 DNA。举例来说,将癌细胞重新编码以免转变成肿瘤,或者让干细胞成长为可移植的器官。实验证实,生化电脑也能用于控制生物活性治疗分子,包括某些药物。

以上述概念所开发的 DNA 电脑,实际可行的应用範例,包括用来运算井字游戏(和人类玩家对决);有的能计算平方根;有的模拟自律神经系统,可做出类似于脊椎的反射动作。然而截至目前为止,DNA 电脑跟硅晶片电脑相比,演算能力和速度还是远远不及,的确有点令人沮丧。

话说回来,DNA 运算在生物学与生物医学的应用仍旧开启了令人振奋的契机,并且将在往后数十年内创造出更新更好的 DNA 仪器,可做为生物感测器,用于诊断病症、製作奈米元件,或是控制细胞的生物机能并加以编码。DNA 运算还能大力推动「智能药物」,这种药物可感知并分析多种生理讯息,释出相对应的药性。除了提升人类的生活品质与福祉,将 DNA 与电脑交叉运算的结果,可能让我们更进一步探究现知生物于大自然中登场的来龙去脉。

此外,过往仅供专业人士使用的大型电脑如今变成人人可得的携带型装置,想必有助于在实验室之外的地方推广遗传学。这类基因相关学问该由何人于何时何地运用,已经历重大变迁,将来则会更加「大众化」。

很快地,医师与病患一个个都将採纳基因技术变革发展出的个人化做法,因人制宜的医疗也已应用于众多层面,小至剂量调整,大至研究白血病、爱滋病、直肠癌的最佳疗程。没有生病但关心自身健康发展的人,也可以使用基因检测技术一探究竟,而且这种情形还颇为常见。现在不少人会从网路或实体商店购买基因检测的服务,获取关于自身遗传或祖先血统的资讯。生命科学研究员安德鲁.海赛尔(Andrew Hessel)在欧特克(Autodesk)软体公司负责奈米粒子工程、DNA 合成技术与人类基因组定序等计画,他认为未来 DNA 定序的商业模式正在改变。目前已有基因检测公司免费提供个人基因组定序服务,待分析结果出炉后再销售其他相关医疗服务。还有公司会付费为合适的人选检测,这些人可能拥有「很值钱」的生物特徵,筛检他们的 DNA 会是一笔很划算的交易,说不定就这样找到了人人想要的基因了。比如不会秃头、头髮不会花白、不需要很多睡眠、长相看起来永远不显老、极佳的视力或夜间视力,诸如此类。调查这些人的基因,也许就能进一步研究出新药,能让他人也能拥有上述特质。

DNA 运算会让人类生物特徵迈向优化还是趋于一致?DNA 资讯洩露的安全与隐私危机

重点是,要获得基因资讯,当然得先递交 DNA 样本。也就是说,我们得把包含基因祕密的唾液吐进试管,邮递至实验室,等实验人员判读样本后再利用网路通知结果。这听起来没什幺害处,若能得知自己有维京人血统,或是与埃及豔后有血缘关係,虽然不怎幺实用倒也挺有趣的。但是在此后十年内,科学家判读基因资料的能力,将有可能提升至对人造成潜在风险的程度。基因不仅是一个人的独特标誌,所隐含了一整个家族遗传及精神障碍疾病等资讯,对隐私权影响深远。

伦敦大学学院(University College London)电脑安全与隐私专家艾米里亚诺.狄.克里斯多法洛(Emiliano de Cristofaro)指出,就连最近意在增进「大众福祉」而设置的公共基因资料库,也等于间接迫使病患与捐赠者放弃隐私。在他看来,移除基因标誌或隐藏基因所有人身分,这样的基因匿名做法根本无效。最近就有一群人骇入了家谱基因网站,甚至凭着上头有限的数据和零碎的基因讯息,就循线查出了这些基因拥有者的身分。

克里斯多法洛更提醒一点,不断进步的电脑运算能力会让提供 DNA 数据变得更加不安全,基因组当中某些用途尚未明朗的环节也是潜藏的风险。当科学家逐渐解开基因定序的所有隐藏功能和祕密,有心人士或许会藉此技术危害特定基因的所有者。若说 DNA 资讯可用于製造武器,倒也并非天方夜谭。有学者便指出,只要明白攻击对象的基因特徵,就足以设计出个人化的生化武器将对方杀死,完全不留蛛丝马迹。在日常生活方面,克里斯多法洛的提问切中要点:「要是我们发觉某种基因变异和精神障碍有关呢?数据一旦给出去,就拿不回来了。基因数据的建立引来了前所未有的个人资讯安全危机,因为基因的灵敏度不会随时间衰退,而握有某人的基因资讯就能推知其血缘相关者的基因内情。若是电脑密码洩漏了还能重设,对基因却没法来上这一招。」

DNA 技术大众化,人人皆可用

如果人类的未来没有走向反乌托邦(dystopia),科技发展将会延续上个十年定下的走势,技术的大众化有助于在城市里推动社区实验室,由未受过专业科学训练的人来推动便于使用的低成本技术。如今,在实验室之外,已有各行各业的人在从事与基因相关的工作,比如生产价廉的胰岛素和改良粮食作物。同时,基因科学的进步也让好些非关必要的发明有了推展余地,像是把果酱的 DNA 序列转为商品条码,又或让细菌能在黑暗中发光闪烁。

安德鲁.海赛尔确信人类的未来不只如此,生化技术将会进入每一个人的家中,一如电脑、网路及云端技术。未来的住家将拥有使用更方便的生化科技装置,例如可监控口腔微生物的牙刷。遗传学的发展有些已逐渐开花结果,有些却还得一段时间才能落实,而且过程也许会出乎大多数人意料。按照海赛尔的话来看,我们能确定 DNA 相关技术会越来越精準、便宜,进展会越来越快,而且越来越重要。这类技术不仅能让我们更了解自己,还能依照需求创造出不同的生物合成物。「基因研究势必会快速演进,和电脑的发展趋势一样,挡都挡不了。未来人人都将用得上这项科技。」

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书籍简介:《人类大未来:下一个五十年,科技如何让人类更幸福?》

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