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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

日志

 
 
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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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[小红猪]在厨房里检测家族遗传病   

2013-03-12 10:31:44|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:小红猪小分队

每个人都有自己的DNA知情权。

比尔·盖茨对《连线》杂志说,如果他还是个少年,他就会做生物黑客了。“如果你想用伟大的方式改变世界,就从生物分子开始吧。”

这里是生命科学领域的比尔·盖茨和乔布斯的故事。

小红猪将连载本书前言、第一章和第二章内容。

今天放出的是本书第一章内容。前文回顾:[小红猪]生物黑客,开源生命的信息

“我们并不精通此道。即使我铁了心想杀了你,也不一定能成功。”对一个邪恶天才来说,凯·奥尔(Kay Aull)表现得非常谦逊。事实上,这位23岁的麻省理工毕业生绝没有打什么邪恶的小算盘,除非你认为她想长出尾巴也算是反自然的大罪。CodeCon是旧金山最主要的反商业地下黑客的盛会。她才华出众,倘若有一天CodeCon的某位成员不小心往咖啡里混入了一种自己研制的细菌,这个人最有可能是奥尔。但她说,这肯定不能算是散布厉害瘟疫的最有效的方式。

【凯·奥尔的openwetware网站个人页面:openwetware.org/wiki/User:Kaull】

“我们并不精通此道。即使我铁了心想杀了你,也不一定能成功。”对一个邪恶天才来说,凯·奥尔(Kay Aull)表现得非常谦逊。事实上,这位23岁的麻省理工毕业生绝没有打什么邪恶的小算盘,除非你认为她想长出尾巴也算是反自然的大罪。CodeCon是旧金山最主要的反商业地下黑客的盛会。她才华出众,倘若有一天CodeCon的某位成员不小心往咖啡里混入了一种自己研制的细菌,这个人最有可能是奥尔。但她说,这肯定不能算是散布厉害瘟疫的最有效方式。

奥尔身材高挑,瘦得像根棍儿一样,走起路来僵硬笨拙,就像青春期的小男孩还不适应自己的长胳膊长腿儿似的。她说起话来非常自信,就像已经习惯于屋子里面不会有任何人比她更了解自己的专业领域,事实也许就是如此。这间屋子是个洞穴一样的艺术表演场地,叫做CELLspace,在这里,了解自己的特长非常重要。这个团体可能有共同目标——网络隐私、知识自由、反对公司侵犯个人权益——不过还是明白自己要强调哪一方面比较好。2009年,奥尔和她来自马萨诸塞州坎布里奇市的团队,成为第一批登上CodeCon这个大舞台唱主角的生物极客。生物极客所承受的舆论压力很大。计算机技术已经向世人展示了,几行代码是如何撼动整个经济的,生物技术是否也能造就如此的辉煌?

奥尔在麻省理工就读时,晚上总是在一家DNA合成公司工作。用构建生命的砖瓦去合成一段段的基因并拿来赚钱,这可能听上去是个深奥辛苦的工作。事实上,DNA合成公司只是在为研究型实验室做这些单调又乏味的苦差事。实验室通常会把像反复合成同一序列这种乏味机械的工作外包给其他公司,好让科学家们腾出手来搞出些重大发现。

合成公司里有适当的安全措施,将订单里已知的危险序列自动标示出来。商店是不会把未经审查的产品卖给客户的,工作人员对那些无趣的记者们已经很厌烦了,那些人老觉得自己是第一个想到要定制天花病毒的人,或者是能把造病原菌的公司逮个正着。

以上这些规章,完全不能说明DNA杂工们不能造出个有传染性的小虫。为了说明这个论点,奥尔说,自己手上有实验室的钥匙,还能翻看遗传学书籍,本可以在值夜班的时候合成些脊髓灰质炎病毒,就像两千零几年的时候一些科学家通过邮购获得这些病毒一样。她没有,也不愿意制造出这么经典的致命病菌。但她是可以这样做的。

她解释说,成功制造生物恐怖袭击的更快捷的方式是在联邦生物防御实验室找个活儿干。“9·11”之后,保护国家免受生物袭击成为美国的当务之急。像奥尔这样有生物方面专业技术的人才,政府总会把他们招募进来。你一旦拿到了这份工作,就能从实验室内部偷到致命微生物,把它们加到水中,或者寄到美国邮政署去。联邦调查局相信,军方生物防御研究员布鲁斯·伊文思(Bruce Ivins)从他的实验室中窃取了炭疽病毒,并实施了恐怖袭击,这一举动让尚未走出“9·11”阴霾的美国胆战心惊。相比在狭小的公寓厨房中,在烧杯里养满自己合成的、致命的微生物,伊文思声称自己的计谋更干净利落。2008年,他了结了自己的生命,在此之前伊文思拒绝为这起袭击事件负责。

奥尔现在不再为DNA合成公司工作,也不为政府效力。她也没有设计出利用细菌造成大规模死亡的方法,来作为加入CodeCon组织的“见面礼”。恰恰相反,她明确地指出,那些对她选择的事业的怀疑,其实都是不理性的。麻省理工开设这个新的生物工程项目以来,她是第一个毕业生。奥尔可以选择任何她想做的生物技术工作。但是,她选择在家里的壁橱里建立一个生物实验室。尽管如此,她想表明,她的公寓里也绝不存在一条通向统治世界的路。

不过,她的项目还是有狂热的成分在里面。显然,她很享受在家工作的挑战性——只能用廉价的实验材料和设备,以及完全依靠自己的智慧和创造力。在我看来,她所投身的事业是一项更偏向理论的科学,一个好奇的灵魂热情地投入自然中,丝毫不含任何最常见的隐秘动机:利润、事业、地位。所有的科学家都是从门外汉起家的。9岁的时候,她杂交了盆栽植物,而此时的同龄人都在玩任天堂游戏机。她内心深处依然是那个9岁的小姑娘。正因为如此,奥尔一直看似刻意地给身体里那股原始的科学热火添枝加柴,那股火焰就像发动机一样驱使她寻找科学发现。

“对我来说,了解事物工作的原理远远不够。”奥尔这样对我说:“我得真刀真枪地动手实践。”

实际中,这就意味着她得自己制作实验工具,或者从易趣网上购买(她以90美元的价钱买了一台原价10000美元的细胞培养箱,而且卖家包邮)。这也意味着她得用电饭煲、威士忌酒杯来制备蒸馏水(她将这个装置称为“高科技温控设备”)。这意味着任命自己的猫为首席安全员(她说,“如果猫受不了的话,我肯定也受不了”)。好的一面是,如果她能搞定这个DIY生物实验室,她就能做任何自己想做的项目。最近,她想折腾些能救她一命的基因。

科学技术史学家对现代生物技术追根溯源,最后确定它的源头是20世纪70年代在加州获得成功的首个基因剪接实验。那时距双螺旋的发现不过二十几年,科学家便弄明白了如何能将具有特定序列的DNA分离出来,并将它们插入其他生物的基因组中(后文会详细介绍)。不过人工操作基因的历史可以追溯到几千年前农业出现的时候。简单地将野生品种的植物或动物杂交,直至获得具有人类偏爱的性状的驯化品种,这是生物领域最早的无心插柳柳成荫的发现,也是最重要的一个。

生物技术的基本特征是刻意将基因打乱重新排序,以便创造出自然中前所未有的东西。遗传工程并不是什么复杂的事情,把橘子和葡萄柚杂交得到蜜柚其实就是遗传工程了。不过,近几十年遗传工程主要指把一种生物的DNA片段(这些片段跟所有基因一样,都是由4种基本化学物质组成,它们分别用A、C、T、G代表)分离出来再插入另一种生物的不相干的更长的DNA片段中。

为了达到这些目标,生物技术促进产生了解读DNA更廉价、快速、精确的方式。“基因组学”这个概念非常笼统,是指意在破解遗传密码序列背后的信息的意思。最近,高级DNA测序仪器,即高通量测序仪,成为高端生物实验室中的必备之物。就这样,基因组学开始对医学产生一些重大影响。

人们一直有种强烈的直觉,认为基因是很多疾病的根本原因。历史上各种人类文明中,都反复强调祖先血统这些观念,表明这些人一直以来都深谙基本遗传真相,即人的特征是从父辈那里继承而来的。早在科学诞生前,人类就已经知道遗传方面的常识了:“病秧子爹妈养多病的孩儿”,“心力衰竭代代传”,“我家男丁死得早”。

以上这3句话对凯·奥尔的家庭全部适用。她爸爸这边的亲戚中,多数姓奥尔的男子都活不过中年。导致这种悲剧的原因不详,不过她父亲觉得很有必要密切关注自己的健康状况。

奥尔的父亲过完60大寿后,他的医生注意到他的肝脏酶数值升高了。肝脏酶指数偏高说明肝细胞受到了损伤。医生告诫他得戒酒。

但是,这个指数依旧一路飙升。医生给他做了个血检。技术员抽血时眼睛瞪得老大。他父亲的血液黏稠得就像配煎饼吃的糖浆一样。“这可不太正常。”技术员如是说。

实验室技术人员让奥尔的父亲回去找医生做进一步检查。他跟医生说,他走路的时候感觉关节里像灌了沙子。

很快,医生便将血液黏稠、关节摩擦痛这两个症状结合起来考虑。奥尔的父亲身患血色素沉着症,并且病症已经比较严重。血色素沉着症会导致人体吸收贮存过多铁元素。多余的铁元素沉积在身体器官中,造成慢性损害。正是这些多余的铁元素使奥尔先生的血液黏稠,同时铁盐的晶体沉积在关节里,导致疼痛。如果不及时治疗,血色素沉着症会损害肝脏、心脏和胰腺,患者的肤色会慢慢变成古铜色。确诊后,奥尔的父亲每个月都得去放点血以排出体内多余的铁元素。中世纪的医生听到这是血色素沉着症的唯一治疗方法,肯定得会心一笑。他通过做基因检测确诊了此病,而这个检测技术是在大约10年前开发出来的。

血色素沉着症是美国最常见的遗传病之一。但因为其症状跟很多其他疾病很相似,所以大家都知道这病很难确诊。饱受此病折磨的患者经常由于被误诊为糖尿病而死去。但是近几年,研究人员确定了控制人体铁吸收的基因。随后他们很快又确定了该基因的导致血色素沉着症的两个突变型。

奥尔的父亲拿到基因突变检测报告时,奥尔的妈妈吓坏了,给她打了电话。“报告上怎么说?”奥尔问妈妈。“我不知道,”她妈妈说:“全都是遗传学术语。”

奥尔妈妈想让她给自己好好解释一下报告里面都说了什么。“我把报告传真给你,”她说:“你得老实告诉我你爸爸会不会很快就病死。”

奥尔的父亲用另一种方法解决自己的疑惑。 “他问谷歌去了。”奥尔说。奥尔觉得她爸爸做得对。谷歌这样的工具能给大众提供大量生物学知识和几个世纪的科学研究成果,奥尔承认,自己正是站在这些巨人的肩膀上进行工作的。我们比从前有更多的途径去了解自身。奥尔相信,随着生物知识的激增,人们得了解更多这方面的内容。

这种信念促使奥尔在她的公寓里面搭建属于自己的血色素沉着症检测平台。她父亲为了确诊自己的疾病而做的基因测试极为昂贵。通常,只有排除了一些其他疾病的可能性之后,病患或者他们的保险公司才会放心下血本去做这个检查。

奥尔打算仅仅用厨房里常见的玩意儿和网上能买到的东西来搭建自己的基因检测平台,这无疑是一项挑战。她买了个高压电源,还有一个台式设备,叫热循环仪,用来复制DNA片段的,大小就和面包机差不多。这两样加起来也就一百多美元。反应中需要的酶最早都来自长在温泉中的细菌。另一项重要花销是引物,这是预先合成好的DNA序列,有了这个她才能进行检测。引物都是她从自己的老东家那里订购的。订购过程非常简单,只要登录网站,输入自己需要的序列,然后公司会将合成好的引物装在试管中邮寄给你。合成引物的价格大约为每个碱基对30美分。

奥尔设计的引物能够与血色素沉着症突变基因结合。在她的测试中,结合在突变基因上的引物能经过反应成为更长的DNA链。如果这两种突变都不存在,那DNA链就不会变长。奥尔将她的实验室建在自己坎布里奇港的公寓里的壁橱中。坎布里奇港是坎布里奇市典型的劳工阶层社区,从查尔斯河沿岸的麻省理工校园顺地势向下延伸。那间公寓里还住着她的3个室友以及她的猫。

奥尔也想知道她是否也有罹患血色素沉着症的风险。她原本可以什么都不做,只是小心关注自己的健康状况,直到开始出现血色素沉着症的征兆时才采取措施,就跟她父亲一样。她也可以到高级诊所花几千美元做个标准遗传检测。不过,她选择用棉签蹭一蹭脸颊,把棉签上的DNA连同引物一起丢进壁橱里的热循环仪中。

“我觉得DIYbio组织最可贵的一点是,这些都是你力所能及的事情。这都不是魔术,只是化学而已。”奥尔说:“在水槽里面做过一遍之后,这个过程就不再那么神秘了。”

为了把管子中的不同长度的DNA链分开,奥尔把一块凝胶放在塑料电泳槽中,在里面滴一滴扩增好的基因样品,然后通上电。在电流作用下,样品会在凝胶中移动。这个过程叫做凝胶电泳,是国内每个大学生物实验室里都会用到的一种基础工具。DNA片段越小,向盒子另一端的电极迁移的距离就越远。奥尔让自己的基因跑了个电泳,然后在CodeCon的演讲台上,她向大家展示了检测结果——那块装在封口塑料袋中的凝胶。凝胶盒里不同大小的DNA聚在一起形成竖直的条带,分布在凝胶当中。奥尔的测试体系中,如果左侧有长条带,就表明被试身体中存在血色素沉着症突变。奥尔塑料袋里的那块凝胶左侧,有一条很清楚的长条带。检测结果呈阳性。

奥尔说,尽管她身体中携带着这个变异,不过她患病的概率并不超过50%。但是当谈到检测结果的时候,我还是能感觉到她对检测的激情就不那么明显了。而论及亨廷顿氏症和帕金森综合征,奥尔并不能将自己的发现应用于这些病症的基因检测,她也只能旁观和等待。接受检测后,她还是那个23岁的女孩,不过未来可能出现血色素沉着症的症状这一事实困扰着她,而她对此束手无策,只能在有可疑症状出现时告知医生自己的遗传易感性。

“每个人都有这种黑暗的基因秘密。事实就是如此。”奥尔说:“了解这些秘密之后,你的生活会变得很复杂,但是忽略它并不是更好的选择。”

尽管奥尔的检测方法很别出心裁,不过没有人会将它作为生物技术的突破性进展,它只是将成本大大降低了而已。不过,价格本身可以反映人们对生物技术的感情的深层次变化,一种仅因为生物技术变得如此实惠而促发的变化。

奥尔的测试并不代表一门新兴科学,它只是一种研究科学的新方式。壁橱中诞生了一项实用的生物技术,并且只用了被人丢掉的装置,而此技术却是基于最复杂的科学。在某种意义上,技术只有逃脱了其创造者的垄断,才能彻底改变文化。而技术脱离垄断的速度与零售价有关。拿手机来说,当手机电池还跟钱包一样大,手机跟大个香蕉同等尺寸时,只有高端商务人士才会不嫌麻烦打移动电话。移动科技发展的那个特定阶段,手机是奢侈品,更像是身份的象征,而不是追求实用性。21世纪初,新一代廉价手机促进了人们对日常行为期待的转变:你可以随时随地跟任何人通话。随着手机价格逐渐下降,这种期待从发达国家的城市中产阶级传播到更多国家、更多阶层和更多的文化中。

看着奥尔描述自己的工作,我不禁回想起父母曾告诉我,当电子手表和便携式计算器都卖几百美元时,拥有其中之一就会被人觉得有钱倒不把钱当回事了。数字技术改变世界靠的不仅是其功能,还有实现这些功能的低廉成本。奥尔这个项目的魅力并不在于这个项目能做些什么,它的引人注目之处是花费低廉。也许她的检测方法在生物技术领域相当于第一台笨重的个人电脑。不管她的创新相当于PC发展史当中的哪个阶段,它都显示出生物技术能够取得辉煌成就的巨大潜力。

自制的基因检测同样让人们窥见,个性化医学不仅仅意味着内科医生将会用基因检测做出更精确的诊断。奥尔力求了解深层次的自己。她纯粹通过发明创造,在摸索中获得那些知识。她黑客式地破解了自己的基因之谜,同时增强了自我认知。也许DIY生物学有一天会代表着一种新形式的自省——自我的检查能力,它会比苏格拉底梦想中的更有深度、更精确(尽管目前来说,基础生物学还需要很多研究才能完全了解奥尔的血色素沉着症突变和其他遗传变异)。

也许生物科技DIY也意味着一种新的自由,为了追求对自身更精确的了解而不断探索只是第一步。合成生物学让我们不仅仅能解读基因,更能编写基因,就像把大量字母按一定的模式印在纸上,就能创作出前所未有的图画一样。

生物预言家们最狂野的想象当中,黑客式地改进人类基因可能意味着让自己变成超越人类的生物。此外,重新创造自己也是个人主义的精髓。也许让自己长个尾巴插个翅膀,或是皮下长满叶绿素,我们也仍旧是人类,只是具有完全的个人意识,能自由地把自己变成想象中的那个样子。可能那种自由意味着我们不用再等待自然赐福于人类了。正是这些梦想让生物朋克的想象肆意驰骋,它们在电影《银翼杀手》(Blade Runner)、极端自由主义者、牛顿、达尔文和追求权力、卓越的强烈意愿的滋养下,渐渐丰满。

关于本书

作者:马库斯·乌尔森(Marcus Wohlsen),先后毕业于哈佛大学和加州伯克利大学。现为《连线》杂志记者,专注技术类报道。

译者:肖梦,复旦大学生物系毕业。爱好科普、科幻和翻译。

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