樊春海院士:书写DNA——信息技术和生物技术交融发展的突破口

樊春海院士:书写DNA——信息技术和生物技术交融发展的突破口
2021年09月16日 10:17 陆家嘴金融网

DNA,普通民众最熟悉的科学名词之一。DNA在生命科学中的发现和研究,已经为人类破解生命的奥秘打开了一扇门。那么,DNA在结构上有什么特殊之处?是否具备其它特性?它和信息技术结合,将产生什么样的突破点?如何改变人们今后的生活?

近日,在中国金融信息中心举办的第28期“海上院士讲坛”上,中国科学院院士、上海交通大学王宽诚讲席教授、九三学社中央委员、上海市委科普工作委员会主任樊春海院士受邀出席。樊春海院士在以“书写DNA:信息技术与生物技术交融发展的突破口”为主题的报告中,以生动的案例回顾从DNA的生物学研究到DNA结构设计与制造研究,解析框架核酸在纳米机器人和DNA存储的应用,展望信息技术和生物技术交融发展的未来突破口。

浙江大学上海高等研究院院长周如鸿教授、中科院上海高等研究院基础交叉中心主任胡钧研究员、上海交通大学上海高级金融学院创业导师、金融法治中心副主任丁春春女士,元禾原点创投公司合伙人胡晓方博士以及来自长三角地区的党政机关、科研院所、企事业单位的相关负责人和专家人士出席讲坛。

本期海上院士讲坛由上海证券报、中国金融信息中心、中国科学院上海分院、上海市科学技术协会、九三学社上海市委员会、上海石油天然气交易中心共同主办,上海市工业经济联合会、上海市微生物学会协办,浙江省新昌县人民政府全程战略合作。

主旨演讲:《书写DNA:信息技术和生物技术交融发展的突破口》

中国科学院院士、上海交通大学王宽诚讲席教授、九三学社中央委员、上海市委科普工作委员会主任樊春海院士 (黄贇摄)

报告伊始,樊春海院士介绍了DNA的起源,源于1953年两位著名的科学家华生和克里克,在英国剑桥大学发现了DNA双螺旋结构,为揭示遗传物质的分子基础揭开面纱。这是整个现代生命科学史上伟大的开篇时刻。自此,无数的生物学家投身于跟DNA遗传相关的研究,如研究DNA聚合酶如何不断复制DNA,在一代代之间传递遗传信息。随着人类基因组的实施和发展,现在已经可以快速便宜地测每个人的基因组,从最初几十亿美元,到现在可能只要几千元。不仅如此,还可以在化石中将古生物的遗传信息检测出来,以了解在已灭绝的生物在当时的情况。

DNA技术在新冠肺炎疫情也有重要的表现,“核酸检测”的基础就是DNA相关的技术,即使用聚合酶把DNA或RNA不断复制扩增,从而实现检测。在新冠疫情中,樊院士团队与上海计量院开展合作,在国际上率先研发出可绝对定量的新冠病毒RNA标准物质。向CDC、各医院和100余家企业(覆盖90%以上)免费发放标准物质1500余份,为核酸试剂盒研发的计量溯源提供了支撑,助力全球疫情防控。

樊院士介绍了DNA的另一特性。20世纪80年代,当科学家都在研究DNA的生物学功能时,美国纽约大学希曼教授首先提出将DNA的双螺旋结构进行拼接和搭建。DNA是需要使用原子力显微镜才能观察到的纳米尺度的物质,同时也是可以被操控的分子材料,可以变成真正意义上的宏观尺度的材料。

樊院士从化学结构上介绍了DNA的特性:DNA之所以形成双螺旋的分子结构,和它被称为ATGC的化学结构式是有关系的。在DNA结构里,A和T配对,G和C配对,两条配对的DNA链可以像拉链一样形成双链,并进一步扭曲成双螺旋结构。这不仅是遗传学的故事,而且也带来生物技术的发展。从另外一个角度来看,DNA的ATGC结构,将ATGC四个字母看成四进制,就能洞悉从病毒、细菌到植物、动物、人类的编码,了解多姿多彩的世界背后的信息。

DNA的测序技术不仅可以读,还可以写下来。八十年代曾发明了全自动的化学合成仪,信息可以程序化储存在自动化学合成的DNA片段中。希曼教授从1980年代开始引领了DNA纳米技术的发展。2006年,加州理工学院罗斯曼德博士发明DNA折纸术,用2纳米宽DNA链编制成几十纳米大小的笑脸,成为里程碑的突破。人类可以利用DNA折纸术,按照意愿把ATGC四个字母编织成任何想要的图形。

中国科学院院士、上海交通大学王宽诚讲席教授、九三学社中央委员、上海市委科普工作委员会主任樊春海院士 (黄贇摄)

对于DNA结构的相关应用,樊院士认为框架核酸是一类人工设计的结构核酸;尺寸、形貌和力学特性可程序性调控;为分子识别提供结构支撑、为癌症等重大疾病的早期检测和诊疗提供基本工具。框架核酸在应用方向有过很多成功的案例。第一个是纳米机器人。要让其工作起来,首先要在分子尺度下产生可控的运动。1983年,法国科学家创建两类分子——螺烷和索烃,可以发生特定的转动。之后有了产生机械运动的纳米车,不仅可以转,还可以在平面上运动。三位有机化学家凭借此成果获得了诺贝尔奖,诺贝尔奖委员会在颁奖时说:“这样一些分子尺度的机器在未来的应用可以说无可限量,甚至可以用于医疗上进入人体组织,修复器官,除去癌变细胞,或者更换有缺陷的人体基因”。而通过框架核酸则可以制造更为复杂和智能的纳米机器人。

樊院士在前两年用框架核酸制造出具有巡航能力的智能机器人,通过分子运算来走通迷宫。这代表了在分子求索之路上新的一步。另一个成果是樊院士制作了可以治疗急性肾损伤的纳米手术机器人原型,有望为疾病治疗作出贡献。《自然化学》创刊十周年时,邀请了国际上五十几位科学家共同写化学领域的求索之路。其中樊院士表示,通过DNA组装产生智能,用框架核酸制造纳米机器人,是一条求索之路,未来前景是不可限量的,有可能在重大疾病的医学转化和产业化方面产生应用。

第二个应用方向是DNA存储。在我国“十四五”科技规划中,DNA存储和量子计算、量子通讯、神经芯片一起列入到2035前沿技术。DNA存储是一种建立在生化反应基础上,利用碱基的配对原则,行使信息处理或存储功能的分子运算与存储形式。1988年,有科学家提出用DNA做信息存储,当时科学界没有太多反响。2012年,哈佛大学发表一篇文章,可以用DNA来存储一本书。2013年,欧洲出现了重叠字符串编码的研究。2017年,哥伦比亚大学发明了DNA喷泉码的技术。2015年,微软把DNA存储技术正式立项,到2019年时,实现全自动的DNA数据存储与读取。同一时间,华为公司发布了创新2.0的路线图,提出要“投资DNA存储,突破数据存储的容量极限”。

人类社会的文明史,是一部信息存储方式和传播方式变革的历史。2013年,全世界的数据只有4.4个ZB,2020年达到44个ZB,光存储44个ZB就需要三峡大坝发电量。所以信息存储是重大国家需求。而这些信息中的90%为“冷数据”,需要长期存储,但并不需要经常性调用。1969年,阿波罗登月计划的时候,纸作为存储介质。2019年发布的黑洞数据,一晚收集的数据达到5PB,相当于重量达到半吨的一万个硬盘,无法通过网络传输。自此,DNA作为天然的信息存储介质,又一次进入科学家和产业界的视野。不同于自上而下的集成电路高度依赖精密的外部加工设备,DNA是自下而上的,用纳米级的AGTC的分子组装产生的变革性技术。DNA存储的优势,不仅在于存储的容量极限可以提高7个量级,如全世界44个ZB的数据可用214公斤DNA存下来,更在于它的寿命可以达到几十万年甚至百万年,解决了人类文明长期存储的问题,且DNA几乎不需要能耗来存储。

樊院士表示,信息技术、生物技术是21世纪发展的两大支柱产业,而它的交融,代表了多学科交叉的发展,可以说是交叉学科、技术变革和产业转化的应许之地。目前DNA存储技术仍在发展中,未来可期。上海交通大学的一批科学家,如合成科学家丁奎岭院士,华为鸿蒙系统的创始人、计算机科学家陈海波教授等都在密切关注并希望通过联合攻关来取得突破。在未来,在数据中心,中国的科学家可以拿着一管DNA告诉全世界,这里面记录是全世界所有的数据。

樊春海院士简介>>>

樊春海,上海交通大学王宽诚讲席教授,中国科学院院士。南京大学学士、博士,加州大学圣芭芭拉分校博士后。2004-2018年任中国科学院上海应用物理研究所研究员。2018年起任上海交通大学化学化工学院教授,现任转化医学研究院(国家转化医学科学中心)执行院长、唐仲英首席科学家。兼任美国化学会ACS Applied Materials & Interfaces副主编,ChemPlusChem编委会共同主席。入选美国科学促进会(AAAS)、国际电化学学会(ISE)、美国医学和生物工程院(AIMBE)和英国皇家化学会(RSC)会士,已发表论文500余篇,近七年连续入选“全球高被引科学家”。

圆桌论坛

论坛上,樊春海院士就生物、信息技术交融发展与学术界、产业界进行交流。上海交通大学上海高级金融学院创业导师、金融法治中心副主任丁春春主持圆桌会议。浙江大学上海高等研究院院长周如鸿,中科院上海高等研究院基础交叉中心主任胡钧,元禾原点创投公司合伙人胡晓方等嘉宾参加圆桌互动。

圆桌主持人:上海交通大学上海高级金融学院创业导师、金融法治中心副主任丁春春

浙江大学上海高等研究院院长 周如鸿

浙江大学上海高等研究院院长周如鸿指出,当前生物技术(BT)与信息技术(IT)交融发展,互相促进。作为新兴交叉学科,DNA存储对信息技术的发展有重要促进作用且发展前景广阔。生物技术与信息技术两者之间存有许多相关性。生命系统和信息系统都是下级结构有序形成上级结构、上层设计约束下层单元的有序系统:分子组成细胞,细胞构成组织,组织形成器官,器官形成个体,个体组成人类社会系统;晶体管组成逻辑门,逻辑门组成芯片,芯片构建模块,模块组成计算机,计算机连接成互联网。这些系统的组成、结构、功能、运行和发展规律,都有其可类比之处。

周如鸿对此从三个维度加以说明。首先是人工智能中的神经网络。人脑神经网络有许多突触,神经网络处理复杂的输入信号。人工智能神经网络就是学习人脑神经网络,通过复杂的内层结构,最终把信号处理出来,这相当于生物技术与信息技术两者间的存有一个交融汇聚处。第二是自人类基因组计划以来,基因组、蛋白组、表观遗传组、转录组,代谢组等产生了海量数据,对信息技术提出较大的底层需求,不仅是生物技术与信息技术的互相借鉴,更是数据本身对信息技术提出了需求,两者可互相促进。第三就是DNA存储技术,一克 DNA本身就可提供最大10的20次方字节的数据存储量,与硅基材料完全是两个不同概念,差别在几个数量级,因此生物技术本身对信息技术提出了需求,但同时又提供了可能的解决方案与技术支撑。

周如鸿表示,DNA计算离商业化目前还有不小的距离,但DNA存储相对商业化更近,DNA计算与DNA储存未来可期。DNA计算最早可从1994年南加州大学提出的“如何能最快且不重复解决销售员走路路径”问题谈起,若从传统计算角度来看非常困难,但通过DNA计算可相对快速解决。鉴于完全走的是不同路径,可用一种单链DNA代表城市,以及城市与城市之间道路,然后通过碱基配对技术,可快速通过碱基两端的”粘性”找到特殊的两个城市,勿需做计算便可查询到。此外,DNA分子具有强复制性,数以亿计的DNA分子可同时做平行计算,这是传统计算机难以做到的。同时与大型高性能计算机相比,DNA计算还具有低能耗的优势,但从实现路径角度来讲,它的不稳定性让商业化变得非件易事。DNA存储技术在生物技术里属发展最快的一项,实现时耗短。

中科院上海高等研究院基础交叉中心主任 胡钧

中科院上海高等研究院基础交叉中心主任胡钧认为,DNA存储对我国战略发展意义重大。他认为,底层技术研究必须是从人类和国家重大需求出发,DNA存储就是解决人类最基础的数据存储需求,这是其研究的重要意义。从底层技术体系发展来看,其就像地基,地基打不好,后续的科学技术研究就很难开展。在“十四五”规划中,底层技术体系的构建对中国科技的自强自立和经济的繁荣发展至关重要。令人欣喜的是,随着越来越多年轻的科学家专注于底层技术研究,中国科研的未来一定会越来越光明。

胡钧表示,樊春海院士是一位年轻有为的跨界科学家。他喜欢孜孜不倦地探索,挑战新事物。跨界交叉科学研究虽然容易出成果,但是难度很大,樊院士通过跨界研究利用纳米技术成功地把DNA的生物技术应用到信息技术,取得了重要成就。樊院士还是学生成才路上的良师益友,培养了一批交叉领域优秀的年轻科学家。

元禾原点创投公司合伙人 胡晓方

元禾原点创投公司合伙人胡晓方博士对目前中国风险投资如何看待生物、信息技术交叉研究所带来的投资机遇向现场参会人员展开了细述。她认为生物技术和信息技术是二十一世纪的两大支柱性产业,两者交融投资机会大。具体就DNA存储的产业化可行性而言有三个考量维度,分别是:随智能时代到来,数据存储存有万亿级别的市场需求;现有的硅基存储技术无法满足未来数据增长速度,展望未来十年,痛点须被解决;经亿万年自然进化,DNA存储的稳定性、可靠性及高密度性已得到充分验证,具备较大的未来投资潜力。胡晓方表示,DNA存储同样存在着巨大的投资机会,微软、华为已经率先涉足。在国外,这个领域每一个微小的技术进步和突破都会获得风险投资机构的投资。而在国内,今年已经有很多风投在关注这一领域。从技术发展和产业投资角度而言,中国已经站在世界的前沿,中国的风险投资机构也随之进入“全新的时代”——愿意投资前沿的底层技术,并进行长时间大规模孵化的时代。

就投资节点来看,技术交融达到什么样的产业化程度才能真正吸引风投机构投入“真金白银”?胡晓方表示:“我们一直在做行业研究,持续关注着技术应用何时迎来拐点期。目前读取技术已经没有太大问题,相关公司已经在IPO过程中,未来读取技术成本会大幅下降。现在要解决的核心问题是‘写’,‘写’得准还要成本低,当我们把‘写’的路径找到时,就是我们进入这个领域的关键时点。” 胡晓方坦言,目前已经看到相关公司正在从不同的路径突破“写”的瓶颈,近几年内该领域可能会有突破性进展。

主办方致辞

中国金融信息中心总裁助理李志琴

中国金融信息中心总裁助理李志琴在致辞中提到,科幻片里经常看到的一些场景,如大脑里插入一个芯片就可以让人类轻松地学习到海量知识,可以运用DNA的编辑技术来进行婴儿的“容貌定制”。本期院士讲坛探讨的话题是与DNA存储相关的技术,樊院士是跨界科学家,专注于生物技术和信息技术融合领域的研究,为我们打开了一片广阔的视野。参加圆桌的嘉宾还有在人工智能和交叉科学等非常专业的专家,还有产业和投资人,开展技术变革和产业转化等话题,将带来思想的碰撞。

海上院士讲坛是由上海证券报、中国金融信息中心、中国科学院上海分院、上海市科学技术协会等机构联合主办,目前已经成功举办28期,立志于将学术界、产业界、资本界、政府界的人士汇聚一堂,涤荡创新的思想,助推产业的发展。上海证券报是由新华社主办,中国证监会法定披露证券市场信息媒体,创立于1991年,是新中国第一份提供权威金融证券专业资讯的全国性财经日报,现已形成涵盖报纸、网站、客户端、视频、微信、微博等平台的全媒体财经传媒矩阵。中国金融信息中心是新华社的直属机构,服务于上海金融中心的建设和科创中心的建设,除海上院士讲坛外,中心还举办了一系列讲坛,如党史学习教育讲座、国资大讲坛和陆家嘴资本夜话等。

主持人:

中国科学院上海分院学术与科普处处长章文峻

文字:刘思乐 陈汉 祝君仪

摄影:黄贇 祝君仪

统筹:卢小惠

财经自媒体联盟

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