DNA 運算會讓人類生物特徵邁向優化還是趨於一致?

作者 | 發布日期 2018 年 11 月 08 日 16:00 | 分類 推薦書摘 , 生物科技 , 電腦 follow us in feedly

既然我們能讀取 DNA,就不難看出這套生物編碼系統如何呼應電腦科學。近幾十年來,數位變革大大促進了基因組學的革新,從而讓 DNA 與某些嶄新的電腦運算技術產生連結。毫無疑問地,DNA 的資料儲存型態比過往數十年來的任何一種儲存媒介都更長壽,不像軟碟與光碟會隨著時代被淘汰,只要人類本身跟讀取 DNA 的技術一起存在,資料就可以一直保存。




DNA 運算可突破硬體限制

將資訊儲存於 DNA 的另一項好處是容量夠大,畢竟連人類基因組都能全部裝進寬度介於 2~10 微米的細胞核裡。以下我們稍做個比較,好讓讀者體會微米有多小:微米是 1 公尺的百萬分之一,就算人類頭髮的寬度也有 75 微米。科學家已經成功將莎士比亞共 154 首十四行詩,以及金恩博士(Martin Luther King)的演說「我有一個夢」26 秒語音剪輯檔存入 DNA,同時也能分毫不差地讀取出來。方法採用電子計算的二進位系統,只不過將數位資訊的 0 與 1 試著轉換成 DNA 鹼基 A、C、G、T 的四個字母,再予以排列組合。位元(0 或 I)是電腦訊息存取或操控的最小單位;以莎翁十四行詩全集來算的話,會有 520 萬位元的資料編進 DNA。

撇開資料儲存不提,DNA 運算本身的發展仍是十分令人著迷。起初,這項技術的研發是為了解決電腦科學研究者的難題。人們生活極度倚賴的個人電腦、平板電腦和智慧型手機規格一代比一代小,相應零件的生產技術限制越來越多,而且所費不貲。繼續這樣縮小下去,很快就會到達極限了。英代爾(Intel)的工程師預測,最快在二○一八年便會發生上述情況。不過有了 DNA 電腦,可以利用遺傳分子作為輸入單位,蛋白質等生物分子則充當處理器。傳統電腦以循序漸進的方式處理資訊,運算起來相當費時;DNA 電腦可平行處理訊息,大大加快了速度。DNA 電腦是將漂浮的 DNA 分子或 RNA 分子裝在試管裡,或是固定在鍍金的顯微鏡載玻片上,類似電路板的概念。問題以及解答的程式碼,都可以編寫進一組 DNA 分子,透過這種玻片來運算。

DNA 電腦有助於推動智能藥物與個人化療程

DNA 電腦還能用於傳統電腦難以達到的地點與規模,例如細胞或人工合成的極薄材料,進而開發出可能的新用途,例如在細胞裡植入生物電腦,既可識別產生病變的組織、選擇執行自毀程序,或重新編寫細胞裡受損的 DNA。舉例來說,將癌細胞重新編碼以免轉變成腫瘤,或者讓幹細胞成長為可移植的器官。實驗證實,生化電腦也能用於控制生物活性治療分子,包括某些藥物。

以上述概念所開發的 DNA 電腦,實際可行的應用範例,包括用來運算井字遊戲(和人類玩家對決);有的能計算平方根;有的模擬自律神經系統,可做出類似於脊椎的反射動作。然而截至目前為止,DNA 電腦跟矽晶片電腦相比,演算能力和速度還是遠遠不及,的確有點令人沮喪。

話說回來,DNA 運算在生物學與生物醫學的應用仍舊開啟了令人振奮的契機,並且將在往後數十年內創造出更新更好的 DNA 儀器,可做為生物感測器,用於診斷病症、製作奈米元件,或是控制細胞的生物機能並加以編碼。DNA 運算還能大力推動「智能藥物」,這種藥物可感知並分析多種生理訊息,釋出相對應的藥性。除了提升人類的生活品質與福祉,將 DNA 與電腦交叉運算的結果,可能讓我們更進一步探究現知生物於大自然中登場的來龍去脈。

此外,過往僅供專業人士使用的大型電腦如今變成人人可得的攜帶型裝置,想必有助於在實驗室之外的地方推廣遺傳學。這類基因相關學問該由何人於何時何地運用,已經歷重大變遷,將來則會更加「大眾化」。

很快地,醫師與病患一個個都將採納基因技術變革發展出的個人化做法,因人制宜的醫療也已應用於眾多層面,小至劑量調整,大至研究白血病、愛滋病、直腸癌的最佳療程。沒有生病但關心自身健康發展的人,也可以使用基因檢測技術一探究竟,而且這種情形還頗為常見。現在不少人會從網路或實體商店購買基因檢測的服務,獲取關於自身遺傳或祖先血統的資訊。生命科學研究員安德魯.海賽爾(Andrew Hessel)在歐特克(Autodesk)軟體公司負責奈米粒子工程、DNA 合成技術與人類基因組定序等計畫,他認為未來 DNA 定序的商業模式正在改變。目前已有基因檢測公司免費提供個人基因組定序服務,待分析結果出爐後再銷售其他相關醫療服務。還有公司會付費為合適的人選檢測,這些人可能擁有「很值錢」的生物特徵,篩檢他們的 DNA 會是一筆很划算的交易,說不定就這樣找到了人人想要的基因了。比如不會禿頭、頭髮不會花白、不需要很多睡眠、長相看起來永遠不顯老、極佳的視力或夜間視力,諸如此類。調查這些人的基因,也許就能進一步研究出新藥,能讓他人也能擁有上述特質。

(Source:shutterstock)

DNA 資訊洩露的安全與隱私危機

重點是,要獲得基因資訊,當然得先遞交 DNA 樣本。也就是說,我們得把包含基因祕密的唾液吐進試管,郵遞至實驗室,等實驗人員判讀樣本後再利用網路通知結果。這聽起來沒什麼害處,若能得知自己有維京人血統,或是與埃及豔后有血緣關係,雖然不怎麼實用倒也挺有趣的。但是在此後十年內,科學家判讀基因資料的能力,將有可能提升至對人造成潛在風險的程度。基因不僅是一個人的獨特標誌,所隱含了一整個家族遺傳及精神障礙疾病等資訊,對隱私權影響深遠。

倫敦大學學院(University College London)電腦安全與隱私專家艾米里亞諾.狄.克里斯多法洛(Emiliano de Cristofaro)指出,就連最近意在增進「大眾福祉」而設置的公共基因資料庫,也等於間接迫使病患與捐贈者放棄隱私。在他看來,移除基因標誌或隱藏基因所有人身分,這樣的基因匿名做法根本無效。最近就有一群人駭入了家譜基因網站,甚至憑著上頭有限的數據和零碎的基因訊息,就循線查出了這些基因擁有者的身分。

克里斯多法洛更提醒一點,不斷進步的電腦運算能力會讓提供 DNA 數據變得更加不安全,基因組當中某些用途尚未明朗的環節也是潛藏的風險。當科學家逐漸解開基因定序的所有隱藏功能和祕密,有心人士或許會藉此技術危害特定基因的所有者。若說 DNA 資訊可用於製造武器,倒也並非天方夜譚。有學者便指出,只要明白攻擊對象的基因特徵,就足以設計出個人化的生化武器將對方殺死,完全不留蛛絲馬跡。在日常生活方面,克里斯多法洛的提問切中要點:「要是我們發覺某種基因變異和精神障礙有關呢?數據一旦給出去,就拿不回來了。基因數據的建立引來了前所未有的個人資訊安全危機,因為基因的靈敏度不會隨時間衰退,而握有某人的基因資訊就能推知其血緣相關者的基因內情。若是電腦密碼洩漏了還能重設,對基因卻沒法來上這一招。」

DNA 技術大眾化,人人皆可用

如果人類的未來沒有走向反烏托邦(dystopia),科技發展將會延續上個十年定下的走勢,技術的大眾化有助於在城市裡推動社區實驗室,由未受過專業科學訓練的人來推動便於使用的低成本技術。如今,在實驗室之外,已有各行各業的人在從事與基因相關的工作,比如生產價廉的胰島素和改良糧食作物。同時,基因科學的進步也讓好些非關必要的發明有了推展餘地,像是把果醬的 DNA 序列轉為商品條碼,又或讓細菌能在黑暗中發光閃爍。

安德魯.海賽爾確信人類的未來不只如此,生化技術將會進入每一個人的家中,一如電腦、網路及雲端技術。未來的住家將擁有使用更方便的生化科技裝置,例如可監控口腔微生物的牙刷。遺傳學的發展有些已逐漸開花結果,有些卻還得一段時間才能落實,而且過程也許會出乎大多數人意料。按照海賽爾的話來看,我們能確定 DNA 相關技術會越來越精準、便宜,進展會越來越快,而且越來越重要。這類技術不僅能讓我們更了解自己,還能依照需求創造出不同的生物合成物。「基因研究勢必會快速演進,和電腦的發展趨勢一樣,擋都擋不了。未來人人都將用得上這項科技。」

(本文內容節選自三采文化《人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》

書籍簡介:《人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》

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(首圖來源:pixaby)