現在，人工只能技術如火如荼，無人駕駛百家爭鳴。當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加持的智能機器人。但現在，有一項看似普通卻蘊含無限可能的技術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行更加深入地了解。隨著科技的進步，基因測序的技術也正以前所未有的速度發展。

第一眼DNA

DNA，生物體內的一種復雜的化學物質，它以雙螺旋的結構存在，構成了細胞的染色體，承載著傳遞生物遺傳信息的任務。DNA是以雙螺旋結構存在于我們身體的細胞中，雙螺旋結構寬僅為2納米。舉一個直觀的例子，頭發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，科學家們開始分離和研究細胞的化學成分，探索更加微小的物質結構和功能。DNA的發現是這一時期生物學的重要突破，為現在生命科學的多個領域進展打下了基礎。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？

第一個發現DNA的人是瑞士化學家弗雷德里希·米歇爾（Friedrich Miescher，1844－1895）。1869年，他在研究生物體的組成時，發現了一種他稱為“核蛋白”的物質（也就是DNA），他發現這類物質和其他的蛋白質特性完全不同。在米歇爾發現DNA后，生物學家們紛紛開始研究與猜測DNA的結構，受限于當時的顯微技術，人們還沒有足夠強大的顯微鏡去直接觀察DNA的結構，只能靠間接做實驗的方式去破解DNA的結構。

直到1952年，一種被稱為X射線衍射的技術，將DNA結構展示在人們面前。什么是X射線衍射技術呢？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聯的，通過觀察發光小球的分布，就能夠反推出物體的結構。X射線衍射技術就是這樣，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的結構。

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

這一工作由物理學家富蘭克林在1953年完成。這一照片成功證實了兩位生物學家沃森與克里克所假設的DNA結構。

基因測序，具體分幾步

隨著研究的深入，人們發現DNA由四種結構更小的物質構成，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，從細胞中提取DNA，并去除其他的雜質。

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，并進行復制，增加數量，方便后續進行測序。

(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)

然后就能換上可發光的特制堿基，利用顯微鏡觀察堿基對的結合，讀出基因序列。能夠這樣做的原因是，堿基對的結合有一定的規則，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。

這種規則也使得我們能夠間接讀出堿基對的排列順序。生物學家們發明了特別的堿基，這些堿基在與單螺旋上的堿基相結合時，會發出不同顏色的光。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，花費變為需要10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到頂峰時，每個字母的排序花費大約是0.1英鎊。技術的發展使得測序成本急劇降低，使得人類能進行DNA的大規模測序研究。

現在，已經有公司提供了面向個人的基因測序服務，針對一部分現在已經知曉的一些疾病，通過DNA篩查能夠提前發現并做出相應預防措施。

未來隨著人類對基因的了解越加深入，基因將助力對人類認識更好地自身，提高健康水平，推動生命科學、醫學、生物技、制藥業、農業等各方面的發展。也許，通過對DNA的不斷研究，我們真的能讓一些已經滅絕的動植物重現在地球上。

參考文獻：

[1] Baird D J , Hajibabaei M .Biomonitoring 2.0: a new paradigm in ecosystem assessment made possible by next-generation DNA sequencing.[J].Molecular Ecology, 2012, 21(8):2039-2044.DOI:10.1111/j.1365-294X.2012.05519.x.

[2].熒光顯微術[M].上海科學技術情報研究所,1975.

[3]林云躍,嚴惠民,王立強.四色熒光DNA測序中的轉換矩陣分析[J].光學儀器(2)[2024-07-27].DOI:10.3969/j.issn.1005-5630.2007.02.009.

作者：吳慶中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 研究生

審核：劉志瑾 首都師范大學生命科學學院生命科學專業學科負責人 教授

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來源: 星空計劃

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