基因测序：探寻生命密码

现在，人工只能技术如火如荼，无人驾驶百家争鸣。当我们开始畅想未来科技的可能性时，是完全无人驾驶的汽车、也可能是人工智能技术加持的智能机器人。但现在，有一项看似普通却蕴含无限可能的技术正在悄然改变我们的世界——基因测序。在肉眼不可见的DNA分子中，隐藏着生命的奥秘。基因测序能够让我们有能力去探索DNA所蕴藏的奥秘，有助于人类对自己的身体进行更加深入地了解。随着科技的进步，基因测序的技术也正以前所未有的速度发展。

第一眼DNA

DNA，生物体内的一种复杂的化学物质，它以双螺旋的结构存在，构成了细胞的染色体，承载着传递生物遗传信息的任务。DNA是以双螺旋结构存在于我们身体的细胞中，双螺旋结构宽仅为2纳米。举一个直观的例子，头发丝的直径大约是两万纳米。虽然DNA的宽度很小，但是其长度很大。蕴含人类所有遗传信息的DNA分子，拉直后长度大约是两米。

在19世纪，科学家们开始分离和研究细胞的化学成分，探索更加微小的物质结构和功能。DNA的发现是这一时期生物学的重要突破，为现在生命科学的多个领域进展打下了基础。具有如此重要地位的DNA，我们获得的第一幅它的照片是什么样的呢？

第一个发现DNA的人是瑞士化学家弗雷德里希·米歇尔（Friedrich Miescher，1844－1895）。1869年，他在研究生物体的组成时，发现了一种他称为“核蛋白”的物质（也就是DNA），他发现这类物质和其他的蛋白质特性完全不同。在米歇尔发现DNA后，生物学家们纷纷开始研究与猜测DNA的结构，受限于当时的显微技术，人们还没有足够强大的显微镜去直接观察DNA的结构，只能靠间接做实验的方式去破解DNA的结构。

直到1952年，一种被称为X射线衍射的技术，将DNA结构展示在人们面前。什么是X射线衍射技术呢？举个例子，在黑夜中有一个物体，没有灯光，但是有一堆能发出微弱光芒，被眼睛看到的小球，如何知道物体的形状具体长什么样呢？拿起小球朝着那个未知形状的物体砸去，小球碰到物体后会被弹开，只要砸的小球足够多，物体的周围就会分布着许许多多可以被看见的小球，这些小球的位置分布是跟物体形状有关联的，通过观察发光小球的分布，就能够反推出物体的结构。X射线衍射技术就是这样，X射线是有非常微小的粒子组成的，利用这些粒子去撞击DNA,然后再被弹到接收屏上，就能够反推DNA的结构。

（左图：富兰克林；右图：世界上首张DNA的X光衍射图片，图源：Wikipedia）

这一工作由物理学家富兰克林在1953年完成。这一照片成功证实了两位生物学家沃森与克里克所假设的DNA结构。

基因测序，具体分几步

随着研究的深入，人们发现DNA由四种结构更小的物质构成，我们称其为碱基。这些碱基之间互相匹配，连接在一起，形成了DNA，而这些碱基的排列顺序就蕴藏着遗传信息，碱基对的特定排列方式叫做基因，其中蕴含着控制生物各种形状的信息。基因测序，就是要读出碱基对的排列方式。

基因测序大致可以分为如下几步：

第一步，从细胞中提取DNA，并去除其他的杂质。

第二步，将较长的DNA打断为较短的片段，这样做是因为太长的DNA不好操作。

(DNA片段示例，图源：作者自制)

第三步，将DNA片段固定在适配器上，并进行复制，增加数量，方便后续进行测序。

(图源：作者自制)

第四步，也是最重要的一步。首先，是将将碱基对拆开，让双螺旋变得只剩下一边。

(图源：作者自制)

然后就能换上可发光的特制碱基，利用显微镜观察碱基对的结合，读出基因序列。能够这样做的原因是，碱基对的结合有一定的规则，A碱基总是与T碱基配对，C碱基总是与G碱基配对。并且只有前一个配对完成后，下一个才能开始配对。

这种规则也使得我们能够间接读出碱基对的排列顺序。生物学家们发明了特别的碱基，这些碱基在与单螺旋上的碱基相结合时，会发出不同颜色的光。将适配器（固定有碱基序列的特制薄片）电脑记录显微镜视角下DNA所发出光的颜色以及顺序，就能够读出DNA的序列了，也就获得了基因的信息。

(图源：作者自制)

基因测序的过去、现在、未来

1965年，测量每个碱基对的顺序大约需要1000英镑；1975年，花费变为需要10英镑。在1995年，每个字母只需要1英镑。2000年人类基因组计划达到顶峰时，每个字母的排序花费大约是0.1英镑。技术的发展使得测序成本急剧降低，使得人类能进行DNA的大规模测序研究。

现在，已经有公司提供了面向个人的基因测序服务，针对一部分现在已经知晓的一些疾病，通过DNA筛查能够提前发现并做出相应预防措施。

未来随着人类对基因的了解越加深入，基因将助力对人类认识更好地自身，提高健康水平，推动生命科学、医学、生物技、制药业、农业等各方面的发展。也许，通过对DNA的不断研究，我们真的能让一些已经灭绝的动植物重现在地球上。

参考文献：

[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].荧光显微术[M].上海科学技术情报研究所,1975.

[3]林云跃,严惠民,王立强.四色荧光DNA测序中的转换矩阵分析[J].光学仪器(2)[2024-07-27].DOI:10.3969/j.issn.1005-5630.2007.02.009.

作者：吴庆中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 研究生

审核：刘志瑾 首都师范大学生命科学学院生命科学专业学科负责人 教授

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