文爱 胸 小熊饼干 樊春海：DNA如何给信息技能赋能？

发布日期：2025-03-17 05:02    点击次数：133

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20世纪末，许多东说念主齐在参谋行将到来的21世纪到底是信息技能的世纪，如故生物技能的世纪。但是，当前咱们如故越来越昭着地坚韧到，21世纪既是信息技能亦然生物技能的期间，更是两者的交叉归并，这种归并很有可能带来更多、更新的契机。

撰文 | 樊春海（中国科学院院士、上海交通大学化学化工学院院长、泛动医学研究院实践院长）

交叉科学的要紧性

科学，可以说是“分科之学问”。东说念主类迄今得到的常识如故棋布星陈，单凭个东说念主的智商已不可能掌抓全部的科学常识。而科学被分手红数学、物理、化学、生物等学科。这种分科研究的形状便于东说念主们聚焦特定行业或领域，有针对性地累积普遍专科常识，从而取得更深入和系统化的领路，鼓舞该学科的发展。

固然传统的分科研究鼓舞了当代科学马上发展，但是咱们也已看到这种形状的一些固有颓势。比如过度分割可能导致学科和学科间穷乏琢磨，许多研究无法冲破范围等。这些颓势的存在导致不同学科之间留住普遍的空缺地带，这也使得科学界对交叉科学产生了极大温柔。

交叉学科需要研究者具备越过不同学科间壁垒的智商，而动作一种新的科研范式还可能卓著传统学科里先驱固有的先发上风。

这种特色更为我国带来了一种全新的可能性：传统赛说念上西洋是先驱，如故建立起几百年的最初上风，我国固然在致力于追逐，但思要赶超还有待时日。而在传统学科的边际和交叉地带还存在全新的契机和无穷的后劲，咱们有望通过学科交叉抢先取得能够影响全寰宇、全东说念主类发展的要紧冲破。因此交叉科学受到了国度和社会的平凡温柔，学科的交叉归并已成为科学发展的要紧期间特征。

信息技能（IT）与生物技能（BT）的交叉

谷歌，这祖传统的IT大企业，看似研究领域与人命科学毫无琢磨，难以思象它能够激勉生物技能领域颠覆性的改进。但这种情况却在往常的几年内变成了现实——2018年谷歌初度发布AlphaFold，运用东说念主工智能（AI）的力量对卵白质结构完了了展望。到2024年5月，AlphaFold如故更新至第三版，将可展望的范围从卵白质结构推广到大部分人命分子。这种技能对于人命科学领域产生了相配深刻的影响，因为卵白质等人命分子的结构可以说是所有这个词这个词生物技能领域的基石之一。生物体内的酶、多样抗体等功能性大分子在生物体内推崇着要紧的功能，因此这些分子的精确结构可以为新的结构改良或药物分子设想提供引导，加快药物的发现，寻找新的靶点和调理形状。

在AI被引入结构生物学之前，百年间无数生物学家进行了不懈的努力，仍然只好极少数卵白质的结构被真确研究出来。因此当初版AlphaFold推出并展示出其强盛的实力之后，结构生物学家纷纷发出叹伤，因为他们在作念的事情似乎如故被AI代替了，但是很快他们又从悲不雅中醒觉过来，因为这种颠覆性的冲破推行上预示着更大的契机，当前生物技能领域的科学家齐运转积极地拥抱AlphaFold，把它动作一种强盛的器用加快我方的研究。除了AlphaFold除外，当前还有越来越多来自IT领域的技能与人命科学挂起钩来，比如AI与医学的招引等，这些齐是典型的IT-BT跨界从而产生新机遇的例子。

上文描摹的是IT向BT的跨界，那么反过来BT是否也能给IT赋能呢？DNA概况就能作念到这一丝。

DNA的发现及要紧应用

DNA存在于咱们每一个东说念主的身体里，从实质上来讲，DNA是一个化学分子，可以被看作一种高分子。生物界在进化的经由当中，登科了这种双螺旋结构的高分子材料动作咱们遗传信息的载体。DNA双螺旋是一个尽头苦衷的结构，咱们可以将这种结构思象成一条拉链，向右手场所拧转。许多艺术家齐相配可爱这么一个来自人命的结构，因此咱们在许多建筑物或者雕镂中齐能发现这么的元素。在DNA双螺旋结构发现50周年的时候，有东说念主把DNA的双螺旋结构和蒙娜丽莎归并到了一齐。在艺术中，不灭的形象是蒙娜丽莎；在科学里，不灭的形象是DNA双螺旋结构。

蒙娜丽莎与DNA双螺旋结构

双螺旋结构的发现可以回首到1953年，两位伟大的科学家——沃森（Watson）和克里克（Crick）——在着名的《当然》杂志上发表了一篇论文“核酸的分子结构”。整篇论文只好一页纸和一张图，却开启了人命科学进入微不雅寰宇的新征途——分子生物学，后续养殖出了分子微生物学、分子神经生物学、脑科学等全新的领域。更要紧的是，双螺旋的发现修起了一个困扰东说念主类上万年的天问：咱们从那处来？咱们到那处去？这篇精辟的论晓示诉咱们：DNA一共只包含四种单体，分别用A、T、C、G默示，其中A与T配对，C与G配对，“从DNA的配对的神气，咱们立时可以测度出遗传物资的复制机制”。这么一个肤浅的结构让咱们明白咱们如何从父母处得到遗传信息，又如何传递到下一代。有风趣的是沃森是一位生死亡学家，克里克是一位物理学家，是以DNA结构的发现自身亦然跨界的居品。

沃森和克里克发现DNA双螺旋结构

经过几代科学家的一心一力，当前咱们打开任何一册分子生物学的教科书，齐可以看到遗传是如何进行的。咱们体内有一种叫DNA团聚酶的卵白质，它的尺寸是头发丝的千分之一，它像一个纳米形状的复印机，把DNA双螺旋从中间分开，然后“复印”出两条跟本来一模同样的双螺旋链，这即是DNA的复制经由，在咱们细胞里这种复制三年五载不在进行。

DNA碱基动作信息编码字节

核酸（包括DNA和RNA）琢磨研究可谓产出诺贝尔奖最多的一个领域。总结历史，咱们可以在几十个受奖时刻见到上百位科学家的职责得益最高褒奖。从最运转对核酸结构的领路，到对核酸功能的领路，再到前几年对核酸信息的调控——也即是众人耳闻目染的CRISPR基因剪辑技能。通过对该技能，咱们不仅可以了解基因的结构和功能，还可以对它里面储存的遗传信息进行相配精确的剪辑和调控。

这么一段相配苦衷的科学发现历程不仅随和了东说念主类的趣味心，也让咱们知说念咱们从那处来、到那处去，并且开启了所有这个词这个词当代生物技能工业。举例核酸检测技能，这是一个相配伟大的技能，也获了诺贝尔奖，它运用当然进化经由中的团聚酶，像一台自然复印机同样不竭地把汇注到的DNA分子一变二、二变四，最终累积到很高的水平。因此即使一运转样本里只好极一丝的病毒DNA，通过DNA团聚酶的复制扩增也可以完了检测。核酸检测技能可以对病毒、细菌或者谈论基因进行高机灵度的检测，在医学、农牧学、生态学、刑侦等领域齐有平凡的应用。

另一个相配要紧的技能即是核酸测序。它发祥于20世纪末一个相配伟大的大科学技俩，即东说念主类基因组计算。其时全寰宇几十个国度蚁集起来，参加几十亿好意思元，阅历整整十年时期，只测了一个东说念主的基因。而今天，咱们只需要阔绰几个小时和不到1000元东说念主民币，就可以测一个东说念主的全部基因序列。若是测序的价钱能够降到100元的话，概况咱们的体检齐可以加上这一技俩。

测序技能的发展还让咱们能够测几十万年以致百万年前古生物的基因信息，匡助咱们了解古东说念主类、猛犸象等古生物。古生物DNA测序技能前几年也得到了诺贝尔奖。

DNA成为一种变革性的新材料

在微不雅层面，运用高分辨显微镜咱们可以看到DNA的真的结构，就像一条宽度只好2纳米的毛线，咱们不仅可以看到它，还可以主宰它陈列出咱们思要的字母。在宏不雅层面，格外的纺丝技能可以把DNA纺成细丝，并且它的强度比自然蛛丝的强度还要高，可以动作防弹衣和东说念主工韧带等的原材料。最早提倡把DNA动作一种材料来使用的是纽约大学的西曼（Seeman）栽植，他在1983年提倡这个新颖的思法时还被合计是荒诞和不切推行的，但是当前这如故变成现实。

为什么DNA可以动作一种变革性材料？

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咱们齐知说念IT寰宇的底层逻辑是0和1，而咱们人命的背后即是A、T、C、G四个字母。若是把0和1看作二进制，那么DNA即是一个四进制的编码体系，大当然中花鸟虫鱼实质上齐是A、T、C、G的陈列组合。DNA动作一种亿万年进化遴荐的高分子材料，领有和其他材料不同的一个特征，即可编程性，因此它的实质是一种由A、T、C、G四个字母组成的、可编码的分子信息材料。

有一种叫作“DNA折纸”的技能，就像织毛衣同样，可以按照特定的形状把DNA编制成多样万般不同的图案。最早是加州理工学院罗斯蒙德（Rothemund）博士运用这么的编程技能，用DNA编织了一个直径为70纳米的笑脸图案。2006年咱们团队用DNA作念了一幅中国舆图，这是一个分歧称的DNA纳米结构，也可能是最小的中国舆图之一。其后咱们又用舆图动作模块单位，拼出了一个熊猫图案。当前这个快速发展的领域咱们称为DNA纳米技能或者核酸纳米技能。肤浅地和会，这种技能可以像织毛衣或3D打印同样，能把DNA这种信息材料编码成一维、二维、三维、多孔、曲面等多样万般的纳米形状的结构。

这些相配规矩和精确的材料有着平凡的应用。宏不雅寰宇里最灵验的材料即是框架材料，举例屋子即是由多种框架材料组成的。框架材料为什么要紧？我国古代的形而上学家老子给出了一个最精确的形而上学描摹，即是“利”和“用”的干系。说念德经里有一句话叫作“有之以为利，无之以为用”，即是说必须有框架有空间才智推崇作用，就像空碗才智吃饭，空杯才智喝水，空房才智住东说念主，框架里面空腹的部分“无”才是能够推崇作用的部分。

本基于运用DNA来编织框架结构的智商，咱们率先在海外上提倡了“框架核酸”的观点，即一类东说念主工设想的结构核酸，它的尺寸、相貌和力学本性可以形状性调控。这种渺小的框架核酸可以“住”分子，为生物分子的识别提供更好的结构扶持，从而成为疾病诊疗、合成生物学等领域的要紧器用。

在往常的十几年里，咱们团队和海外上许多团队一齐在框架核酸的领域作念了许多职责，并证明它如实是一个通用的技能平台和器用箱，可以为生物检测、疾病调理以致微电子琢磨的领域提供相配精确的基本器用。

DNA与IT的招引

那么如何把DNA与IT招引起来的呢？

让咱们用宏不雅寰宇中如故无处不在的机器东说念主动作例子。机器东说念主是一个典型的IT居品，那么微不雅寰宇中是否也有访佛的机器东说念主呢？对于这个观点，咱们最早可能仅仅在科幻演义里看到过，将来可能有一种纳米机器东说念主，它可以走到咱们的细胞里，寻找到癌细胞并隐藏它们，这么毋庸手术就能调理疾病。科学即是连续地把科幻变成现实的历程，科学家围绕这个看似科幻的思法喜跃了许多年，众人坚韧到要建造这种纳米形状的机器东说念主必须要运用生物技能承袭分子来搭建。

起程点是要创造出可以阐述的分子，咱们称之为 “分子机器”。1983年法国科学家索瓦日（Sauvage）发明了两类可以自主阐述的分子机器，通过有机合成的神气创造了分子的阐述。随后许多科学家齐在分子机器领域连续探索，举例荷兰的费林加（Feringa）栽植发明了可以阐述的分子汽车。这两位栽植和好意思国的司徒塔特（Stoddart）栽植一齐得到了2016年的诺贝尔奖，以赏赐他们在分子机器领域的孝敬。

分子机器的产生使得分子冲破了布朗阐述的松手，产生了定向机械阐述，可以像宏不雅的机器东说念主同样走起来。

诺贝尔奖委员会高度评价了这种纳米形状的机器东说念主：“分子机器在将来的应用可以说无可限量，以致还能应用于医疗上，进入东说念主体组织建树器官，撤回癌变细胞，更换有颓势的东说念主体基因。”

但是诺奖的颁发并不料味着分子机器东说念主的研发画上了圆满的句号，它代表的其实是众人对技能后劲的无穷憧憬，也代表这还莫得成为现实。

这些通过有机合成东说念主为创造的分子，在体外可能运行得很好，纳米机器可以产生多样万般的功能。关联词它一朝进入细胞，情况就会富裕不同。因为细胞对于这些小分子来说是一个太过于纷乱和复杂的空间，有点访佛东说念主类进入了广泛的天际。

细胞里面有细胞质、细胞核和多样细胞器，要在这些位置之间穿梭就像东说念主类要在不同的星球间穿梭同样，是一个高难度的行径，需要克服高度复杂的生物环境带来的多样问题。

要完成这么复杂的动作，必须让这些机器具有智能。这如故卓著了有机合成的智商规模，于是化学家将眼神转向了分子的拼装，但愿借此冲破分子智能的松手。因为在咱们的细胞里面就有一些机器时常刻刻齐在运行。比如说咱们体内与肌肉阐述琢磨的卵白质就在连续拼装妥协拼装，这即是一个自然的分子机器。

于是咱们前些年提倡了一个理念：能弗成不依靠有机小分子重新合成，而是平直借助当然的力量，运用DNA或者框架核酸在细胞里的拼装妥协拼装来构筑仿生的DNA机器，从而完了细胞里的物资和能量调控。

基于这个理念咱们开启了全新的合成生物学：咱们创建了一系列由框架核酸拼装的元件，它们像3D打印同样精确；咱们证明了可以通过分子拼装产生智能，即用框架核酸创造智能分子机器东说念主，固然看上去比拟约略，但却可以像家里的扫地机器东说念主同样走迷宫；咱们还从细胞外深入到了细胞内，仿造病毒这种自然纳米机器东说念主的构造和职责旨趣作念出框架核酸纳米机器东说念主。

这些职责有望鼓舞生物医药产业的进一步发展。

可以像扫地机器东说念主同样走迷宫的框架核酸智能分子机器东说念主

DNA这种全新的材料与IT寰宇中机器东说念主的招引是一个新兴的领域，但如故呈现出超卓的价值，值得持续探索。

DNA存储

DNA存储肤浅来说，即是用DNA来存储诡计机的信息。这个思法是不是听起来很荒诞？基于硅的诡计机信息为什么能存到咱们碳基的性射中去？但是一朝深入到两者的实质层面上，这一切就能得到相配合理的解释，因为诡计机寰宇实质上是0和1组成的二进制寰宇，而DNA则是由A、T、C、G四种基元组成的四进制寰宇。这两个进制之间富裕可以进行相互退换。

近些年DNA存储得到了各界的平凡温柔，举例：我国把DNA存储列入《中华东说念主民共和国国民经济和社会发展第十四个五年商量和2035年前程谈论节录》和《“十四五”国度信息化商量》；好意思国的《科学》（Science）杂志提倡了将来发展的125个科学问题，其中信息科学的四大问题之一即是能否用DNA作念信息存储的介质；好意思国建树了DNA数据存储定约，微软等企业如故参与其中；国内的一些IT公司也对这个领域相配感风趣，但愿参与这个全新的变革性存储研究。

数据或者信息的存储推行与所有这个词这个词东说念主类文静的发展密不可分，可以说所有这个词这个词东说念主类社会的文静史即是一个信息存储和传播神气变革的历史。从原始东说念主的结绳记事，到纸张的发明，再到1980年代出现电子信息，如今又有了硬盘、U盘、云盘等新的存储介质，数据存储的问题是不是如故齐贬责了呢？

推行上并莫得，看一下全球数据的增长情况就能发现咱们进入了一个信息爆炸期间。2020年全寰宇的数据是44泽字节，也即是440万亿亿字节，这些数据的保存需要消耗所有这个词这个词三峡大坝全年的发电量，并且数据还在连续增长，对动力的消耗将会难以为继。但是咱们再仔细分析就能发现这些数据里80%~90%齐是冷数据，这些数据不像咱们手机里的信息需要快速时常地调用，违反它们在一年以致更万古期里齐很少被使用。这些数据若是要保存需要持续地消耗动力或者资产，但若是平直丢弃又可能意味着东说念主类文静的一种赔本，这就形成了一个逆境。

另一个逆境来自数据的传输。多样技能的发展使恰当前东说念主类行径产生的数据已远超从前。举例前些年东说念主类第一次拍摄黑洞的像片，数据量高达5拍字节，要存满几千个太字节级别的硬盘，总分量达到半吨。这么的数据量如故无法用汇集进行传输，只可回到最原始的形状，用车辆或者飞机来运载，运载的难度和用度直线高涨。

第三个逆境是存储寿命的逆境。当前的硅基存储神气十年傍边基本齐要进行一次数据的挪动，除了形成本钱高涨除外，随之而来的还稀奇据安全性和可靠性的问题。

这些逆境齐对硅基存储提倡了严峻的挑战，于是众人思到了DNA存储。推行上，早在1960年代就有科学家提倡DNA存储的设思，1988年这个设思得到了初度证明。如上所述，二进制和四进制的退换推行上并不难。对DNA存储而言，数据的写入即是DNA的合成，而数据的读出即是基因测序。

微软前几年也进入DNA存储领域并在2019年推出了全寰宇第一台端到端的DNA存储原型机，使DNA存储从科学研究真确走向了产业化。国内的华为、联思和华大基因也齐相配温柔DNA存储。这种来自业界的高度温柔与DNA的上风是密不可分的。

经过推算，运用DNA这一来自人命的全新材料存储数据，可以把信息存储的物理极限提升7个数目级，十分于把1000万块硬盘的数据存到一个只好50克砝码大小的DNA中，而全寰宇的数据用200千克DNA就可以存下。这么再也不会惦记将来的数据量太大存不下了。

除了密度极高除外，DNA存储的能耗极低，寿命极长。对于硅基来说存储十年是寿命极限，DNA却可以存储千年以致百万年，表面上DNA中的信息可以历久保存。此外，DNA存储还有高安全性和抗搅扰性等上风。

更要紧的是DNA存储的险峻游如故得到了冲破。DNA合成早在20世纪就如故完了，到当前如故是一个锻真金不怕火的产业，本钱是按照摩尔定律着落的。而基因测序由于东说念主类基因组计算的鼓舞，以致出现了超摩尔定律的发展，如故从一个几十亿好意思元的天价科学技俩变成一个不到1000元的锻真金不怕火技能。DNA存储很可能在不久的将来就可以完了。

固然当前DNA存储的存取和读出速率还比拟慢，仅仅冒昧部分冷数据的存储，但敬佩在可预感的将来，包括医疗、航空航天等领域的多样大数据齐有可能变成由DNA来存储。

DNA存储是运用来自生物的材料实践IT的功能，因此是一个典型的IT-BT归并领域，咱们期待它能够按照半导体科技爆发式、越过式、非线性的规章来发展。

就如1946年全寰宇第一台诡计机埃尼阿克，所有这个词这个词诡计机极其复杂，体积和一个房间同样大；但是到1982年就如故出现与咱们当前的诡计机相配相似的个东说念主电脑。是以咱们期待这台微软开发的肤浅约略的DNA存储原型机能在不久的将来换骨夺胎，真确成为一台生意化的开采。咱们也在上海交通大学建树了DNA存储研究中心，但愿能引颈和促进所有这个词这个词行业的发展。

将来IT和BT的归并，以及更多不同学科的交叉与归并，可能即是新一轮科技改进和产业变革的必由之路。

本文经授权转载自微信公众号“寰宇科学”，原题目《樊春海院士论“书写DNA：信息技能与生物技能归并迸发的无穷后劲” | 众人》，刊载于《寰宇科学》杂志2025年第1期“众人·科技前沿”栏目；著述字据笔者在上海市科学技能普及志愿者协会把持的“海上科普讲坛”上的敷陈撰写而成。

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