基因測序：探尋生命密碼

現(xiàn)在，人工只能技術(shù)如火如荼，無人駕駛百家爭鳴。當(dāng)我們開始暢想未來科技的可能性時，是完全無人駕駛的汽車、也可能是人工智能技術(shù)加持的智能機器人。但現(xiàn)在，有一項看似普通卻蘊含無限可能的技術(shù)正在悄然改變我們的世界——基因測序。在肉眼不可見的DNA分子中，隱藏著生命的奧秘。基因測序能夠讓我們有能力去探索DNA所蘊藏的奧秘，有助于人類對自己的身體進(jìn)行更加深入地了解。隨著科技的進(jìn)步，基因測序的技術(shù)也正以前所未有的速度發(fā)展。

第一眼DNA

DNA，生物體內(nèi)的一種復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，它以雙螺旋的結(jié)構(gòu)存在，構(gòu)成了細(xì)胞的染色體，承載著傳遞生物遺傳信息的任務(wù)。DNA是以雙螺旋結(jié)構(gòu)存在于我們身體的細(xì)胞中，雙螺旋結(jié)構(gòu)寬僅為2納米。舉一個直觀的例子，頭發(fā)絲的直徑大約是兩萬納米。雖然DNA的寬度很小，但是其長度很大。蘊含人類所有遺傳信息的DNA分子，拉直后長度大約是兩米。

在19世紀(jì)，科學(xué)家們開始分離和研究細(xì)胞的化學(xué)成分，探索更加微小的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能。DNA的發(fā)現(xiàn)是這一時期生物學(xué)的重要突破，為現(xiàn)在生命科學(xué)的多個領(lǐng)域進(jìn)展打下了基礎(chǔ)。具有如此重要地位的DNA，我們獲得的第一幅它的照片是什么樣的呢？

第一個發(fā)現(xiàn)DNA的人是瑞士化學(xué)家弗雷德里?！っ仔獱枺‵riedrich Miescher，1844－1895）。1869年，他在研究生物體的組成時，發(fā)現(xiàn)了一種他稱為“核蛋白”的物質(zhì)（也就是DNA），他發(fā)現(xiàn)這類物質(zhì)和其他的蛋白質(zhì)特性完全不同。在米歇爾發(fā)現(xiàn)DNA后，生物學(xué)家們紛紛開始研究與猜測DNA的結(jié)構(gòu)，受限于當(dāng)時的顯微技術(shù)，人們還沒有足夠強大的顯微鏡去直接觀察DNA的結(jié)構(gòu)，只能靠間接做實驗的方式去破解DNA的結(jié)構(gòu)。

直到1952年，一種被稱為X射線衍射的技術(shù)，將DNA結(jié)構(gòu)展示在人們面前。什么是X射線衍射技術(shù)呢？舉個例子，在黑夜中有一個物體，沒有燈光，但是有一堆能發(fā)出微弱光芒，被眼睛看到的小球，如何知道物體的形狀具體長什么樣呢？拿起小球朝著那個未知形狀的物體砸去，小球碰到物體后會被彈開，只要砸的小球足夠多，物體的周圍就會分布著許許多多可以被看見的小球，這些小球的位置分布是跟物體形狀有關(guān)聯(lián)的，通過觀察發(fā)光小球的分布，就能夠反推出物體的結(jié)構(gòu)。X射線衍射技術(shù)就是這樣，X射線是有非常微小的粒子組成的，利用這些粒子去撞擊DNA,然后再被彈到接收屏上，就能夠反推DNA的結(jié)構(gòu)。

（左圖：富蘭克林；右圖：世界上首張DNA的X光衍射圖片，圖源：Wikipedia）

這一工作由物理學(xué)家富蘭克林在1953年完成。這一照片成功證實了兩位生物學(xué)家沃森與克里克所假設(shè)的DNA結(jié)構(gòu)。

基因測序，具體分幾步

隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)DNA由四種結(jié)構(gòu)更小的物質(zhì)構(gòu)成，我們稱其為堿基。這些堿基之間互相匹配，連接在一起，形成了DNA，而這些堿基的排列順序就蘊藏著遺傳信息，堿基對的特定排列方式叫做基因，其中蘊含著控制生物各種形狀的信息。基因測序，就是要讀出堿基對的排列方式。

基因測序大致可以分為如下幾步：

第一步，從細(xì)胞中提取DNA，并去除其他的雜質(zhì)。

第二步，將較長的DNA打斷為較短的片段，這樣做是因為太長的DNA不好操作。

(DNA片段示例，圖源：作者自制)

第三步，將DNA片段固定在適配器上，并進(jìn)行復(fù)制，增加數(shù)量，方便后續(xù)進(jìn)行測序。

(圖源：作者自制)

第四步，也是最重要的一步。首先，是將將堿基對拆開，讓雙螺旋變得只剩下一邊。

(圖源：作者自制)

然后就能換上可發(fā)光的特制堿基，利用顯微鏡觀察堿基對的結(jié)合，讀出基因序列。能夠這樣做的原因是，堿基對的結(jié)合有一定的規(guī)則，A堿基總是與T堿基配對，C堿基總是與G堿基配對。并且只有前一個配對完成后，下一個才能開始配對。

這種規(guī)則也使得我們能夠間接讀出堿基對的排列順序。生物學(xué)家們發(fā)明了特別的堿基，這些堿基在與單螺旋上的堿基相結(jié)合時，會發(fā)出不同顏色的光。將適配器（固定有堿基序列的特制薄片）電腦記錄顯微鏡視角下DNA所發(fā)出光的顏色以及順序，就能夠讀出DNA的序列了，也就獲得了基因的信息。

(圖源：作者自制)

基因測序的過去、現(xiàn)在、未來

1965年，測量每個堿基對的順序大約需要1000英鎊；1975年，花費變?yōu)樾枰?0英鎊。在1995年，每個字母只需要1英鎊。2000年人類基因組計劃達(dá)到頂峰時，每個字母的排序花費大約是0.1英鎊。技術(shù)的發(fā)展使得測序成本急劇降低，使得人類能進(jìn)行DNA的大規(guī)模測序研究。

現(xiàn)在，已經(jīng)有公司提供了面向個人的基因測序服務(wù)，針對一部分現(xiàn)在已經(jīng)知曉的一些疾病，通過DNA篩查能夠提前發(fā)現(xiàn)并做出相應(yīng)預(yù)防措施。

未來隨著人類對基因的了解越加深入，基因?qū)⒅θ祟愓J(rèn)識更好地自身，提高健康水平，推動生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物技、制藥業(yè)、農(nóng)業(yè)等各方面的發(fā)展。也許，通過對DNA的不斷研究，我們真的能讓一些已經(jīng)滅絕的動植物重現(xiàn)在地球上。

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作者：吳慶中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 研究生

審核：劉志瑾 首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生命科學(xué)專業(yè)學(xué)科負(fù)責(zé)人 教授

文章由科普中國-創(chuàng)作培育計劃出品，轉(zhuǎn)載請注明來源。