爱博物科学少年探秘全球最大综合性基因库 冀子骜    2018-09-09





    编者按

    本文作者是爱博物科学少年社团成员冀子骜,他现在就读于悉尼KNOX文法学校11年级。子骜同学在今年的7月10受邀与30多家媒体一起参加了国家基因库的“OPEN-DAY”媒体开放日活动。在参观结束后他写下了这篇参访笔记。我们很高兴能收到子骜同学的发来的稿件,也希望有更多爱博物科学少年社团的成员向我们投稿。

    基因——解读,改变,生命

    冀子骜/文


    基因(又称遗传因子),是产生一条多肽链或功能RNA所需的全部核苷酸序列。这么科学而准确的定义恐怕不太好理解。简单来说呢,基因就是生命信息。它是我们身体中的DNA中所携带的具有遗传信息的片段。在几天前,我有幸参观了位于深圳的国家基因库(以下简称基因库)。国家基因库是我们国家前沿的基因科学研究场所,是在2011年,国家发展改革委员会批复同意依托深圳华大生命科学研究院组建深圳国家基因库。通过聆听和学习专家对基因库的介绍,我对于生命科学有了更深刻的了解,在此和大家分享一下。


    图为国家基因库正面


    就像我们做实验需要准备材料一样,科学家们在研究基因的时候,也需要大量的样本。这就要求基因库拥有作为『库』的能力,也就是存储大量样本的能力。为此,基因库搭建了『三库两平台』。这其中,『三库』指的是湿库、干库和活库。


    图为基因库『三库两平台』标志


    湿库』指的是生物样本资源库,里面存储的是生物的样本。为了保持生物样本的活性,它们通常要被密封在零下八十度的环境中,也就是冷藏起来。这个方法的原理和我们平常生活中用冰箱冷藏来保存食物的原理是类似的。低温可以限制生物细胞的活动,延缓腐败衰老。


    国家基因库湿库-80°冰柜


    除了『湿库』,『三库』中的第二库是『库』。『库』是将生物的基因信息读取后存储在大型的机房中。这就相当于科学家们给生物的基因样本拍了个照片,将这个照片存在我们电脑的硬盘上。基因库预计能够达到的总存储量是60PB(一种数据存储单位),相当于是存储了大约216亿张大小为3MB的手机照片。


    这个『库』有强的检索能力,基因库的科学家和世界其他地方的一些科研人员都可以通过网络获得『库』里面存储的信息。结合人工智能、大数据检索以及其他的各种新兴科技手段,『库』可以得到更有效的利用,甚至依靠人工智能自动生成分析。


    『三库』的最后一库就是『库』。正如其名,『库』里面生活着活着的动植物,『库』也因此被称为生物活体库。基因库位于深圳郊区,环境自然,基因库周围的湖和山就是一个稳定的生态系统,可以支持一些动植物在这里生长和发育。当然,针对我国地大物博的特色,基因库的科学家们还在西藏等有中国特色的地方设有活体示范库。


    国家基因库活库


    『三库』构成了基因库的『存』体系,那么基因库搭建的『两平台』又是什么呢?


    就像我们不能只将书本存放在书柜中,等着它腐烂一样,科学家们不仅要将这些基因的信息存储下来,他们还要进行分析和解读。这就构成了『两平台』中的第一个平台——读平台。基因是由A、T、C和G组成的编码,就像0和1构成了计算机的世界一样。了解物种或者个体的基因顺序,可以给我们提供很多有用的信息,以便更好地服务我们,这个过程就被称作『基因测序』。


    在基因测序方面,华大集团有着深入的研究,并且已经成功搭建了很多个用于基因测序的平台。从最初购入国外的先进设备,到与国外的企业进行合作,再到现在独立研发先进的基因测序设备,一代代的华大科学家们付出了艰辛的努力。现在华大基因自研发的桌面式基因测序仪MGISEQ-2000已经达到了国际领先水平,而且其中的部件绝大部分是在珠三角地区生产,包括数十种专门为基因测序设计的计算机芯片。


    除了机器的设计和生产之外,华大还拥有着一项独特的专利——DNA纳米球(DNB)技术。基因是存在于DNA中的细小片段,通过一般的显微镜是根本观察不到的。为了方便对基因测序,华大基因的科学家们发明了一种可以将一段基因进行无限复制的方法。这种方法先将双螺旋结构分离、伸展,并组成一个圆环。然后,科学家们会向基因溶液添加一种特制的化学药剂。与其他国外公司的方法不同的是,华大科学家的这种药剂会将这个环进行线性增长速度的复制,使得这个过程更加可控。另外,这种物质还可以最大程度避免复制产生错误,因为它会根据最初剥离的环进行复制,而不是复制出来的环。


    华大MGISEQ-2000基因测序仪


    就是这些高科技造就了基因库的读平台,们可以将生物样本和活体转化为可以储存在硬盘,更便于分析的数据。当然,除了解读基因之外,我们还能够利用我们的知识来改变基因,这就是我们经常说的基因重组。


    基因库两平台中的第二个平台就是『写平台』,在基因库中有专门的实验室和仪器用于完成基因编辑。不过,很多人都对于改写基因有着不小的抗拒心理。


    实际上,早在袁隆平和他的团队培育杂交水稻的时候,他们就已经在对基因进行筛选了。他们通过杂交实验并观察的方式,培育出了具有更强抗旱、抗虫和更高亩产的水稻。现在的科学家们也是在做相同的工作,唯一的不同是现在的科学家掌握着更先进的仪器和设备,对于基因的筛选也更加的灵活。他们通过筛选动植物的基因,使得它们产生更大的价值。当然,他们对于基因的编辑也不是无限制的,他们也要进行大量的实验,以确保被修改的样本不会对生物多样性、人类和大自然产生危害。所以,其实现在的科学家们所做的基因修改和袁隆平时期的只是方法不同,目的确相同的。


    有趣的是,基因库的修建还与杂交水稻密不可分。基因库的外形就像是一个依山而建的梯田,这也代表了基因库和自然和谐相处,通过基因技术提高人类生活水平的理想。


    国家基因库外观


    既然科学家们已经拥有了改变基因的能力,那么这些技术可以如何应用在我们的生活中,为我们的生活带来好处呢?


    首先,基因测序可以为精准医疗服务。通过基因测序,我们可以提取大量的动植物(包括人类)的基因信息。通过对比这些信息,我们可以得到不同基因所表现出来特征的关键信息。这可以用于个体化精准医疗服务,包括产前筛查、肿瘤检查、感染检查和预防。通过将目标的基因与实验到的信息进行对比,可以帮助判断患者的病症,甚至可以预测患者可能容易感染什么种类的病毒,或者有什么样的体质特征。


    其次,我们还可以通过基因测序来服务农业,帮助保护生物多样性,这都是要利用我们对基因的编辑能力。就像杂交水稻一样,提高它们的产量,甚至口感。


    通过分子育种技术培育出来的动植物加工的产品


    我们还可以通过基因测序深入了解濒危甚至是灭绝动物的基因,这可以为我们提供更多关于该类生物的饮食、习性和适宜环境有关的信息。然后,我们可以对他们进行更加有针对性的保护。对于已经灭绝的动物,我们可以通过残存的样本获得它们的基因片段,并以此为根据进行推测。


    事实上,基因库的科学家们曾经与俄罗斯科学家合作,在该国发现的一具完整的猛犸象尸体上提取了基因并进行了测序。现在,科学家只是找不到合适的母体来培育胚胎,否则猛犸象将可以死而复生。这也是科学家们继续努力的方向。


    基因是引导生命向前的灯,如果我们能够更加深入地了解生命科学,并对我们的知识进行合理的利用,一定会造福地球。这个引导生命的灯,将会沿着生物多样化和造福世界的方向前进。


    关于爱博物


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