九乡新闻网舞女la danseuse:即将改变世界的10大科技创新_环球科学(《科学美国人》中文版)-4
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即将改变世界的10大科技创新
时间:2011-01-10 13:50 来源:《环球科学》2011年第1期 如果我们可以制造出将垃圾变为燃料的机器人，世界将会怎么样？我们能否利用电子游戏（是的，电子游戏）的力量让人类做正确的事情？假使我们DNA 中的“垃圾”实际上比基因更重要，会如何？倘若昆虫掌握着拦截网络攻击的秘密将会怎样？
DNA晶体管
一种新的DNA测序技术将彻底改变我们对遗传学的理解。
撰文 伊丽莎白·斯沃博达（Elizabeth Svoboda） 翻译 禇波
人类基因组首次测序完成已有10 年了，但基因与单个疾病间的联系，并 未像预期的那样迅速而明显地出现在世 人面前（参见《环球科学》2010 年第 11 期《个性化医疗误入歧途》一文）。 现在，很多科学家相信，基因和疾病并 不是“X 导致Y”这种简单的因果关系， 只有对数百万个基因组序列进行统计分 析，基因组研究才可能真正突破——这 样的大量分析数据会揭示，我们的遗传 密码如何与环境发生相互作用，使我们 成为现在这个样子。
因此，这就需要一种低成本的测 序技术，花费最好能控制在1 000 美元 以内。目前，测定一个基因组序列需 要5 000 ～ 15 000 美元，虽然已远远 低于最初的27 亿美元，但离1 000 美 元还有不短的距离。IBM 和罗氏制药公 司的研究人员正在重新设计一种DNA 测序设备，试图达到这一目标。现有测 序仪大小与洗碗机相当，在测定基因组 序列时，不仅需要研究人员提前把基因 切成数千个小片段，还得使用昂贵的化 学试剂。而名为“DNA 晶体管”（DNA transistor）的全新测序设备，采用了一 种简单得近乎天真的测序方式：一个完 整的DNA 分子穿过硅芯片上一个直径 为3 纳米的小孔，与此同时，电子传感 器将一个一个地识别DNA 分子的组成 单元——碱基。
其他实验室已经试验过类似的纳米 孔测序法，但研究人员发现，DNA 链 通过纳米孔的速度很难控制。IBM 的 研究小组突然想到，可以利用DNA 天 然带有负电荷的性质来控制它们穿过纳 米孔的速度。参与该项目的科学家古斯塔沃·A·斯托洛维茨基（Gustavo A. Stolovitzky）说：“我们是这样想的，如 果测序仪的纳米孔本身就带有电极—— 层与层之间被绝缘材料隔开的金属薄 层，那么电场就会与DNA 发生相互作 用。”电场会“抓住”DNA，使它在纳 米孔中保持不动。当电场关闭，DNA 会继续通过纳米孔，但当下一个碱基到 达测序位置时，电场又会自动出现。这 个过程会不断重复，直到整个DNA 链 穿过纳米孔。
这种技术也不是绝对可靠。要想 使DNA 保持不动，纳米孔就必须产生 很强的电场。这需要在电极上施加很 高的电压，但高电压会引起介电击穿 （dielectric breakdown）， 导致火花四 溅和电场短路。由于纳米孔中的电极相 互隔得很近，这种现象特别容易发生。 斯托洛维茨基说：“就好像你头顶的云 层离地面很近时，你更容易被闪电击中 一样。”目前，科学家正在寻找能承受 足够电压的电极材料。
尽管还存在问题，一些产业观察家 仍认为，DNA 晶体管会成为一种快速、 高效、成本低廉的基因组测序技术。“这 种技术大大简化了测序步骤——就好像 直接盯着DNA 读取序列信息，”专门 评估新型生物技术商业潜力的顾问布鲁 斯·斯基安伯格（Bruce Schiamberg） 说，“昂贵的化学试剂和识别荧光标记 的光学设备都可以丢一边了。测序速度 将变得更快。”在未来几年内，DNA 晶体管测出 一个完整基因组序列的成本就能降到 1 000 美元以内。斯托洛维茨基认为， 借助这种设备，科学家更容易在基因、 疾病易感性和理想药物疗法间建立起联 系。如果通过统计分析弄清楚了基因与 疾病间的关系，制药厂商就可以更精确 地寻找目标药物，因为到了那时，他们 应该就已经清楚新型药物的作用目标是 什么了。斯托洛维茨基列举了一个早前 的成功案例——赫赛汀（herceptin）： 这是一种治疗乳腺癌的药物，能使过度 表达癌基因HER2 的病人体内的肿瘤停 止生长。“这样的例子现在还不多，”斯 托洛维茨基说，“我们很乐意看到赫赛 汀的例子能成为普遍现象。”