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DNA的奇妙用途

2017-05-17

奇闻怪事 2017年4期
关键词:折纸储存科学家

最近几十年里,遗传学给人们的生产、生活带来了许多革命性的进步,给农业、刑侦、司法、医学等领域也提供了巨大的帮助。由于DNA分子信息储存量巨大,且保存时间长达上千年,未来它还会给更多领域带来进步,比如美术、考古学和计算机科学,DNA的应用领域将越来越广泛。

识破伪装,复活古人

人类的头发、瞳孔、皮肤的颜色,以及面部长相都由基因控制,因此只要知道一个人的DNA,就能知道他长什么样。

首先,这对警察破案非常有帮助。美国有一名惯犯,绰号“爬山虎”,他经常蒙面作案,深夜潜入居民家中。警察追捕他很多年一直苦无线索,而且由于没有掌握他的任何面部信息,因此无法张贴通缉告示。

不过,最近科学家从案发现场提取了“爬山虎”的DNA,并试图从DNA着手勾勒他的长相,将之捉拿归案。目前这项技术还处于初始阶段,绘制不出高分辨率的人脸图像,但它可以帮助我们确定罪犯的某些重要特征,并且规避人为因素的误差。比如有些目击者在事后录制口供时,会因个人喜好在对嫌犯进行描述时添枝加叶;有些受害人因突遭“侵犯”而恐惧,可能会遗忘某些重要细节。在新技术的帮助下,这些弊端都能规避。

其次,这种面部分析技术也可以应用于考古学。英国历史上有一位理查德三世国王,在位时间很短,也没有遗留画像,后世对他的描绘是长着黑色头发,有着青灰色眼睛。近期考古学家在英国一个停车场地底下发现了他的遗骸,科学家从中采集DNA分析后发现,理查德三世的眼睛有96%的概率为蓝色,头发有77%的概率为金色。

同样借助这项技术,科学家能勾勒出两万多年前尼安德特人的外貌特征,他们很可能长着红色的头发和白皙的皮肤。而且通过DNA技术,科学家还可以复活猛犸象、渡渡鸟及其他灭绝物种,只要从遗骸中能提取到它们的DNA,并进行测序,就可以借近亲物种孕育并复活它们,比如在大象体内孕育猛犸象幼仔。理论上,如果以现代人类代孕,科学家相信可以复活一个红头发的尼安德特人。至于复活恐龙则不太可能,因为恐龙在6500万年前灭绝后,它们的DNA早已在漫长的历史中降解为碎片,无法复原。

鉴别食物与名画真伪

鸡鸭牛羊肉很好分辨,可是鱼的种类太多,市面上的价格差别也大,如果以次充好,我们是很难分辨出来的。我们该怎么办?

DNA代码分析就可以识破真相。只要从鱼肉中提取DNA并测序,科学家就能立刻分辨鱼的种类,而且很容易操作。未来随着科技进步,检测工具将被简化为一种手持设备——DNA识别器。届时,十几岁的孩子也能用这种设备来分辨鱼的种类,用来检验饭店是否有欺诈行为,是否以次充好。我们买东西时,也可以用这种设备来检验是否买到了货真价实的商品,比如珍贵又难分辨的蓝鳍金枪鱼。

除了鉴别食物的真伪,DNA代码分析还可以用于鉴别艺术品的真伪。全球艺术品市场每年的交易额高达数十亿美元,但专家估计其中40%是仿冒品。专业鉴定机构固然可以鉴别真伪,但俗话说“道高一尺,魔高一丈”,如果伪造者技艺精湛,仿冒品完全有可能蒙混过关。

为此,科学家建议在艺术品上附一个小小的塑料标记,标记里含有特定的DNA代码。这个DNA代码不是艺术家自己的,因为伪造者可以从他的衣服、头发甚至垃圾里获取到艺术家的DNA,便于造假。相反,这个特定代码可以是来自其他某种物质的DNA片段,这样的DNA就不容易获取。将来鉴别真伪时,只需从塑料标记中提取DNA,然后对照数据库里的信息,两者如果吻合,就表明这件艺术品是正品。

纺织黄金,防范病毒

目前在发达国家,DNA已成为一种时尚的艺术媒介。DNA是一串长长的双螺旋结构,由四种核苷酸构成。这四种核苷酸排列有序,可分别用A、C、G和T代表。为此有的科学家编写了电脑程序,能把A、C、G和T的有序排列“翻译”成音符的有序排列,如哆、来、咪、发等,这就是我們人类能理解的乐谱。

有的艺术家利用基因技术创作艺术作品,比如荧光海岸绘画,染料里面掺入了一种转基因细菌,它们在一定条件下可以发光。因此,这些细菌一旦发光,整幅绘画就闪闪发亮,像真正的荧光海岸一样。

美国和日本科学家研发培育了转基因桑蚕,这种蚕所吐的蚕丝具有多重特性,如兼具蜘蛛丝的坚韧、延展特性,以及水母的荧光特性。在一部古老的法国童话故事里,女孩借助精灵的力量,把稻草像纺纱一样纺成黄金。或许这些科学家也能通过转基因桑蚕,把蚕丝纺成黄金。

另外,他们还计划把网络上的知识,如流行于全球的维基百科上的每篇文章,以DNA的形式编码(计算机编码有0和1两种代码形式,DNA编码则有A、C、G和T四种),做成一串特殊的“基因”。然后利用转基因技术,把这串“基因”植入真实的苹果基因组里,这样就能制造出真实的智慧苹果,就如同《圣经》中所描述的伊甸园里智慧树上的果子一样。

DNA双螺旋结构的匹配与排列非常精确,比如A与T总是紧挨着。根据这个特性,科学家又开发了一项新技术。他们设计一种DNA片段,并使之把双螺旋结构中的同类片段识别出来,然后所有同类片段以更复杂的方式彼此结合。这就好比我们平时玩的折纸艺术,它们结合后就形成了一个新的DNA“折纸”形状。

目前利用这项技术,科学家获得了一些初步成果,如制作出分子级别的星星和笑脸符号等图像。

而在医疗领域,它的用途最广。把DNA折纸装入特制的“盒子”,使其携带药物进入人体,就可直接把药物输送到目标细胞。如果把肿瘤细胞设为目标,那么这个“盒子”只有遇到肿瘤细胞时,才会打开并释放药物。这种治疗很有针对性,而且基本没有副作用。同时,这个“盒子”也可以作为“囚笼”,把病毒细胞囚禁其中,然后利用DNA折纸破坏它的结构,无声无息地消灭它。

储存能力强,计算能力高

迄今为止,DNA是最古老的储存介质。科学家正在研究这种介质的特性,并将其应用于信息技术。现有技术上,我们用0和1对信息编码,使之成为计算机能识别的语言。同理,科学家如果用A、C、G、T对信息编码,就会形成一种独特的“语言”,这就是DNA语言(代码),然后只要使用DNA识别器,就能读取数据,把DNA语言变成我们能看懂的信息。

靠这种编码方式,就能充分发挥DNA储存信息的“潜力”。首先,它的容量大得惊人。1张CD的容量大约是700兆字节(MB),100万张CD大约是700太字节(TB,1TB=1024GB,1GB=1024MB)。如果以DNA为储存介质,那么1克DNA就能储存100万张CD的数据,而且科学家估计1克DNA的实际储存量可能不止这个数。

目前全世界所有电脑硬盘储存的信息,如果以DNA编码的话,只需手掌大小的DNA就能完全容下。

法国特艺集团是全球最大的电影公司之一,也是娱乐行业的龙头企业,它正在用DNA编码并储存人类历史上经典的老电影,比如1902年的老电影《月球之旅》。

其次,用DNA储存后还可以复制。借助酶的特性,可以迅速复制DNA数据,而且这种复制几乎没有任何限制。美国哈佛大学的一位科学家曾把自己的一本著作用DNA进行了编码,然后在试管里轻松复制了700亿份。这本书由此成为历史上复制数量最多的书籍,创造了世界纪录。

最重要的是,DNA存储信息的时效很长。最早的移动存储设备——软盘曾风靡一时,但现在它们早已进入历史的垃圾堆,而DNA存储则不会这样。10℃左右的温度下,DNA存储信息的时间可以长达2000多年。

除了储存信息,科学家还在构想用DNA建造生物计算机。它跟我们常用的电脑不同,DNA计算机没有屏幕和键盘,实际上就是一些化学物质。但是这不耽误它的计算能力,科学家可以在上面输入信息,计算结果,并演示出来,这与普通电脑是一样的。

而且DNA计算机特别擅长并行处理,尤其擅长同时处理数以百万计甚至数以十亿计的计算任务。天气变化是时刻不停的动态过程,预报天气就是典型的并行处理。计算机从地球很多观测点收集温度、气压、湿度数据,时刻不停地计算,才能预报天气的变化趋势。

另外,在医学上,DNA计算机还有一大优势。它能进入细胞内部,进行信息记录等各种操作。如果与上文的DNA折纸“盒子”相结合,那么它将不仅是一部DNA计算机,还是一个与疾病斗争的“安全卫士”。

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