电子技术与生物技术“合体” 形成巨大冲击力

2013-12-17 17:09:20来源: 技术在线

    笔者在最近的采访时了解到在检测和分析病毒、病原菌、癌症中用到的DNA及蛋白质分析技术中,现在已开始全面采用电子技术。

  电子、尤其是半导体技术与生物、化学技术的关系比笔者想象的要紧密得多,且今后还会进一步融合。另外,融合所带来的冲击力非常巨大,甚至可以说是具有破坏性。通过采访,让笔者更加相信两者的融合将成为今后很多业务的财源。虽然目前市场尚未正式扩大,但未来几年之内将会出现几百亿日元规模的检查技术。

  工程师很容易理解DNA技术

  说实话,笔者对生物学曾经不以为然。说来惭愧,可能因为笔者在高中的时候没学好孟德尔定律,由此认定生物学是一门非常复杂、需要死记硬背的科目。笔者的专业是物理学及其应用,而不知为什么日本的生物学家中有不少人否定物还原论及通过研究和实验增长知识的科学观,这也是笔者抵触生物学的原因。

  不过,国外有几项生物技术,尤其是与DNA相关的研究却跟物理学和工学研究非常相似。笔者在学生时代读过的、由发现DNA构造的沃森(J.D.Watson)着的《双螺旋》(讲谈社文库,1986年)是非常有趣的一本书。这既是一本非常棒的研究笔记,又能让外行像读最好的推理小说一样津津有味地阅读,可以体验到研究的惊险和兴奋。笔者完全没有感觉到物理学、工程学与生物学的隔阂。

  为撰写报道,笔者大致了解了一些DNA的相关研究成果。通过学习,笔者还认识到DNA及其作用其实就是将“生命的设计信息”翻译成蛋白质合成的一种信息通信技术。DNA也有相当于通信编码和纠错技术的机制。DNA分析技术则跟现有的通信技术相似。比如,首先放大微弱的信号,然后进行分析。

  进步神速超过超级计算机

  DNA分析技术的进步史也跟计算机和半导体技术非常相似。比如,分析技术大幅提高了速度。解读人类DNA中的30亿个碱基对序列的“DNA测序”在1990年代之前大部分采用人海战术。笔者有个从事DNA研究的大学同学就经常抱怨连睡觉的时间都没有。

  而到了2000年代以后,分析程序的自动化和并行化迅速发展,“分析速度2年提高了大约10倍”。那么10年就提高10万倍。半导体技术在1年半~2年内集成度和工作性能提高到了原来的2倍,超级计算机的速度2年提高了约4倍,10年提高了约1000倍,由此可见DNA分析技术的进步有多快。在1990年代,解读人类DNA所有碱基对需要几年时间,而现在只需1~2天即可完成。

  “实验室”内的微细化跟半导体一样

  不过,直到几年前,DNA分析技术大多还是化学方法。化学的检查技术不断“微细化”,过去晃动试管的工作已逐渐被整个实验室建立在芯片上的“芯片实验室(Lab-on-a-chip)”技术所取代,并且还推动了DNA分析技术的巨大进步。但是,即使解读时间缩短,所使用的光分析装置的小型化速度却没有能象分析时间那样缩短得那么快。到现在,主要的分析装置大多还有大衣柜那么大,能放到放在桌子上的仪器已算是非常小的了。

  最近,电子技术终于走进生物学领域,打破了以往的装置常识,大幅减小了产品尺寸并提高了精度。比如,2012年英国OxfordNanoporeTechnologies公司推出的DNA分析装置跟U盘差不多大,可拿在手里。

  电子技术的参与是在化学技术的小型化之后才实现的。虽然晃动试管的工作与电子技术没有联系,但芯片实验室技术可以自然地理解为该工作要依托半导体芯片。顺便一提,流感病毒直径大约为100nm,刚好跟10年前的半导体设计规则差不多。

    生活的变化超过通信技术的进步?

  随着DNA分析技术的进步,还会出现一些让人难以高兴的事情,比如:可以了解自己未来的疾病及在孩子出生之前掌握孩子的遗传信息。不过,DNA分析技术的进步也确实对我们的生活提供了帮助。比如,不仅可以检测出病毒及立即诊断出其他疾病,还能辨别药效的不同。电子技术已开始用于检查食品的种类、品牌及产地。不论好坏,这些DNA分析技术的进步今后将极有可能大幅改变我们的生活。仅日本就有几万亿日元的市场规模,也不算夸张。我们生活的改变程度或许会超过电话机变成手机和智能手机的冲击力。

  或许会有人反驳说,基本没有实例证明DNA分析技术跟生活有关系。这样说也不无道理。实际上,DNA分析技术过去可以说跟我们的生活根本没有关系。直到最近,DNA分析大多还是以研究为主。

  但是,这或许只是因为过去在技术上和成本上条件还不成熟。几十天完成DNA测序是几年前才实现的;而几天完成DNA测序是2~3年前才实现的;而通过采用电子技术可将分析装置拿在手里则是1年半前才实现的。十几年前做一次DNA测序需要几百亿日元,而现在只需大约10万日元,今后还会更便宜。将分析结果用于具体疾病诊断的认识也在迅速普及。DNA分析技术的进步速度非常快,是其他技术无法比拟的,因此谁都难以准确预测其冲击力。

  另一方面,有廉价的技术出现,人们不可能不用。比如,只需对着智能手机吹气即可诊断出病毒感染及癌症等,当场查看酒店的高级餐厅端上来的虾的种类及产地等以前只能认为是科幻小说中场景在不久的将来就会实现。某位从事DNA分析的技术人员介绍说:“DNA检测食品产地和品牌要比身份确认等容易得多”。

  半导体技术人员有很大的活跃余地

  化学与电子之所以加速融合,主要是因为曾经的半导体技术人员很多参与到了DNA分析技术之中。美国生物技术厂商中,有不少风险企业都在硅谷设立研究基地。日本技术人员中也有从量子计算机及摄像元件研究转行做DNA分析的,以及到德国大学留学重新考取生物相关学位的。

  他们在转行时,也确实会因电子与生物技术的差异而感到过困扰。在德国大学留过学的一位技术人员说:“半导体技术和生物技术的技术用语不同,我花了很长时间才习惯”。比如,“控制”在电子技术中用于表示控制,而在生物技术中则用来表示“做对照实验或与对照群进行比较”。

关键字:合体  形成  冲击力

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2013/1217/article_4325.html
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