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生化危机将不复存在?算法帮助确定危险DNA序列

作者: 发布时间:2019-03-04 09:01

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世界各地的生物学家通常会付钱给公司,让它们合成环亚ag8879DNA片段供实验室或临床使用。但是多年来,情报专家和科学家都担心生物恐怖分子可能利用这项服务来制造危险的病毒和毒素——也许是在不改变DNA功能的情况下通过微改基因序列来逃避安全检查。

现在,美国政府一直支持使用机器学习来检测DNA序列是否对危险病原体进行部分编码的努力。研究人员开始在设计基于人工智能的筛选工具方面取得进展,几个小组也已经于1月31日在弗吉尼亚州阿灵顿举行的美国微生物学会(ASM)生物威胁会议上展示了初步成果。他们的发现有助于更好地理解病原体如何危害人体以及科学家将DNA序列与特定生物功能联系起来的新方法。

俄亥俄州哥伦布市巴特尔科技发展公司计算生物技术主管奥马尔·塔瓦(Omar Tabbaa)说:“过去,你可以把找到病原体,把它固定好,然后在它面前放上一支‘军队’,你就高枕无忧了。”

但是Tabbaa说,DNA工程成本和难度的降低已经改变了生物安全威胁的性质。任何想要特定DNA片段的人都可以获得合成相应DNA所需的碱基,每个碱基的合成成本非常低。2006年,英国《卫报》(The Guardian)的记者付钱给一家DNA合成公司,让其制造天花病毒的一部分。这一举动促使各国政府和科学家呼吁采取更严格的筛查措施。

2009年,几家最大的DNA合成公司组成了一个联盟并建立标准程序,检查客户提交的序列与已知病原体数据库的比对。如果筛选出来相应序列,公司可以在合成DNA之前确认客户是否是合法的研究人员。

但是这些现有程序只能挑选出与已知病原体完全匹配的部分序列。聪明的恐怖分子可能通过改变病毒或产生毒素的基因中DNA的碱基,甚至设计出一种自然界中不存在的全新病原体来愚弄这个系统。更糟糕的是,由于DNA测序方式的不同,数据库本身经常充满错误。

有鉴于此,2016年,美国情报高级研究计划局(IARPA)启动了一项计划,旨在设计更好的算法以发现潜在的威胁序列。IARPA的经理约翰·朱莉娅(John Julias)表示来自工业界和学术界的5个团队正在此项目中比拼。

到2020年,这些研究小组有望开发出一种方法,可以在不到两周的时间内确定未知序列是否构成威胁。位于夏洛茨维尔的弗吉尼亚大学的软件工程师安德鲁·沃伦(Andrew Warren)说,这将是一项艰巨的任务。“我们必须能够认出地球上的所有生物以及它们的分子功能。”

沃伦的团队正在设计一个程序,对9万种微生物的4000万条序列记录进行比对。该算法学习认识已知毒素和病原体的DNA序列,识别它们的共同特征,然后在其他生物中搜索相似的序列。他的团队在ASM会议上展示的这项工作还处于早期阶段,不过沃伦说,该算法已经能够可靠地预测某个序列来自哪种类型的生物体。

塔瓦在巴特尔的团队正在开发一种利用公共和私有数据库序列的类似算法,他表示计算机算法可以识别人们会忽略的病原体共性,这将有助于程序区分DNA序列的重要组成部分和那些可以改变但不影响病原体的功能的DNA序列。其目标是查明未知顺序中可能构成安全威胁的区域。

巴特尔研究小组希望该程序还能揭示有机体基本生物学的新信息,比如允许毒素或病毒附着在细胞上的通用DNA序列。塔瓦说,这些发现可以帮助研究人员开发快速诊断感染或改进生物制造的新方法。他表示:“我们认为这将带来一系列的连锁结果。”

但是,华盛顿西雅图风险投资公司Bioeconomy Capital的总经理罗布·卡尔森(Rob Carlson)对阻止DNA合成公司被利用是否能防止生物恐怖袭击持怀疑态度。他说:“如果你看看到目前为止发生了什么类型的生物威胁,你会发现这(DNA合成公司被利用)并不是其中之一。”大多数生物攻击与释放实验室中生长的现有病原体有关;例如,2001年,美国有5人在收到含有炭疽病毒的信件后死亡,17人患病。

卡尔森说,恐怖分子更有可能按照已经发表的研究计划,而不是进行开发新生物的研究项目。他担心任何政府规定DNA合成的努力都会将潜在的生物恐怖分子推向地下秘密组织。

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