技术|一种颠覆性技术，量子隐形传输能实现，用DNA合成机器却很困难实验|星球|传输|理论|原子|知识

无论如何，这个世界上总会存在着一些勒德主义者（Luddites ，原19世纪英国的一群技术熟练的纺织工人，他们抗议随工业革命而来的机械化导致的失业，后来这个词泛指那些反对技术进步的人），他们认为我们根本不应该走上这条道路，他们希望我们不要再去努力创造合成生命，甚至要求我们彻底放弃这种“颠覆性技术” 。

在以前，机器人开始兴起，大量争议随之爆发，艾萨克·阿西莫夫对此给出了一个非常明智的评论，他的这个评论同样适用于现在兴起的重新设计生命的潮流：“知识有其危险性，是的，确实如此。但是难道我们的反应就只能是大步后退，不再追求知识吗？我们应该看到，我们运用的知识本身就构成了一道足以隔绝它所带来的危险的防火墙。在考虑了这些问题之后，我的机器人从来不曾毫无缘由地、愚蠢地背叛创造它的人，从来没有。一切都只是为了阐明浮士德式的罪与罚。 ”

文章图片

我最害怕的并不是技术的滥用，而是我们根本就不会使用任何技术；我最害怕的是当我们这个星球上人口越来越过剩、环境越来越恶化时，我们却放弃了一个很好的机会。如果我们放弃了一项技术，那么我们也就放弃了利用它来改善和拯救生命的可能性。不作为的后果可能比不能正确使用技术的后果更危险。
我可以预见到，在接下来的几十年里，我们将会见证许多极其有价值的合成生物学成就，比如，能够抵抗干旱的作物，能够抗疾病并在贫瘠的环境中茁壮成长的作物，能够提供丰富的蛋白质和其他营养物质的作物，能够在恶劣和干旱的地区进行水的净化的作物。我还可以想象到，我们将会设计出一些简单的动物生命形式，它们能够提供新的营养物质和药品来源，能够定制人类干细胞用来修复受损的、老迈的或患病的身体。当然，还会出现许多新的方法，它们能够提高人体机能，比如提升我们的智力，使我们能够适应更加恶劣的环境，让我们更快地恢复劳损的肌肉活力，等等。
因此，让我们把关注的重点放在那些影响人类的全球性问题上吧。现在，许多非常严重的问题正威胁着我们这个脆弱而拥挤的世界。我们都知道，这个星球很快就会成为90亿人一起生活的共同家园；我们还知道，在这个星球上，如食物、水和能源等基础资源正在快速耗尽；我们也知道，这个星球正在被一个可怕的“幽灵”所困扰，那就是不可预知的、毁灭性的气候变化。而这一切的关键，在于一个技术：量子传输技术。

文章图片

量子隐形传输的概念当然还可以追溯到比这些小说更早的时期，在某种程度上说，它是在薛定谔两个最有影响的同行，对原子世界的理论（量子理论）的思想分歧的基础上产生的。这两位物理学家，一位是爱因斯坦，他不喜欢量子理论这种“奇怪的接受现实的方式”；另一位是尼尔斯·玻尔（Niels Bohr ， 1885—1962），他是丹麦人，被称为“原子物理之父” 。 1935年，在争论过程当中，爱因斯坦在一个思想实验的帮助下，使量子理论一个令人费解的特点突显在世人面前，这个实验是他与同事鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky ， 1896—1966）和内森·罗森（Nathan Rosen ， 1909—1995）一起设计的。
他们首先注意到，量子理论不仅适用于单个原子，而且还适用于由原子团组成的分子。例如，包含有两个原子的分子能够用一个被称为波函数的数学表达式来描述。爱因斯坦意识到，如果你远距离地分隔开这些组成原子，甚至将它们放置于宇宙的两端，它们仍然能够用同一个波函数来描述。用专业术语来说，它们是相互“纠缠”的。半个多世纪以后的1993年， IBM的查尔斯·H.班尼特（Charles H.Bennett）和其团队认为，实际上在每一对纠缠原子之间都存在着一条“量子电话线” ，不管相互之间隔着多远的距离，这条“量子电话线”都能够把一粒原子的所有
细节（量子态）“瞬间转移”到另一粒原子上去，而无须知道它的状态。这也就意味着，未来或许可以制造出一种能够传送原子数据的传输机。后续的实验研究证明，这种可能性确实是存在的。就在我撰写这本书的时候，就出现了一个远距离量子隐形传态的记录，一个国际研究团队利用欧洲航天局设在加那利群岛的光学地面站重现了相隔143公里之外的一个光粒子的特点。这个实验让我们看到了在拉帕尔玛岛和特内里费岛之间的光粒子状态（即光子）的瞬间转移。
隐形传输（瞬间转移）还有另外一个巨大的潜能：它有可能使一种新型计算机（量子计算机）的运行速度和解决问题的速度比现在的计算机快上数百万倍。 1998年，一个来自加州理工学院的团队报告了他们的一项实验研究成果，那是关于光束的量子态隐形传输的第一个实验证据。他们的量子态隐形传输是在单个光子之间、光子与物质之间以及单个离子（带电原子）之间实现的。

文章图片

随后，第一个宏观物体的隐形传输也实现了——这一物件大到足以让人的肉眼看到。这次传输发生在两个原子系统之间，每个原子系统都由大约1亿个铷原子组成，每个原子系统的长度大约为1毫米，它们由一条150米长的光纤连接着。这个研究团队是中国科技大学现代物理系微尺度物理学国家实验室的潘建伟教授领导的。这个研究团队告诉我们，这项技术可以用于在未来的量子计算机和网络之间传输和交换信息，从而催生了有关“量子互联网”的推测。
不过，尽管这些进展都给我们留下了非常深刻的印象，但是真正实现隐形传输（就像《星际迷航》中那样）仍然只是一个相当遥远的前景。在接受《科学美国人》杂志采访的时候，加州理工学院的H.杰夫·金布尔（H.Jeff Kimble）应邀澄清了关于隐形传输的最大误解（金布尔是隐形传输的开创者之一，他在1998年完成第一个隐形传输实验）。他指出“认为物体本身被传输，这是一个误解。我们不会把物质材料发送出去。如果我想要送你一架波音757 ，我可以把所有的零部件发送给你，或者我也可以送给你一张囊括了所有零部件细节的蓝图。送一张蓝图显然更容易。隐形传输是一个有关如何把一个量子状态（波函数）从一个地方发送到另一个地方的协议。 ”如果要成功地瞬间转移一个人，那么你需要有关他的原子的大约1032比特的信息。
但是，当然，正如金布尔所暗示的，你可以传送数字化的指令或软件。一个人类基因组大约只含有6×109比特的信息。我的团队正在完善一种技术，它可以让我们以电磁波的形式发送数字化的DNA密码，然后在一个遥远的地方用一种独特的方法来接收这些密码，从而重新创造生命。这是粒子类型的两个基本域之间的传输。我们现在已经知道，地球上所有生命都是基于化学物质的系统，这些生命系统中的每个结构成分——DNA、RNA、蛋白质、脂质和其他分子——都是由不同的化学元素（碳、氢、氧、铁，等等）的个体原子所组成的。

文章图片

这些元素和它们自身的构建模块或构件（例如，绕原子核轨道运行的电子和组成原子核的夸克）统称为“费米子”（fermions）。费米子得名于伟大的科学家恩里科·费米（Enrico Fermi ， 1901—1954），这个术语是由英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac ， 1902—1984）创造出来的。希拉克“因发现了原子理论中非常有用的新形式”而与薛定谔一起分享了1933年的诺贝尔物理学奖。另一类则统称为玻色子，它包括希格斯粒子和所有传递作用力的粒子，尤其是胶子、W和Z玻色子、光子以及电磁波类物质。费米子和玻色子之间的主要区别在于一种被称为“自旋”（spin）的量子特性。按照定义，玻色子是整数自旋的，而夸克、电子和其他费米子都是半整数自旋的。这就导致它们在行为上出现了巨大的差异。费米子与所有化学过程有关，因而也与生物学有关。
当我们能够通过对一个基因组进行测序来读取它的遗传密码时，我们也就是在把DNA的物理代码转换为数字代码，而这个数字代码能够转变为可以实现光速传输的电磁波在合成基因组公司（Synthetic Genomics, Inc, SGI）中，我们已经能够把数字化的DNA编码输入到一个软件程序中了，让它自动地“想清楚”如何完成在实验室中重新合成序列的工作。在这种重叠50～80个碱基对的寡核苷酸的自动化设计程序中，还可以添加独特的限制性位点和水印，然后将它们输送到集成的寡核苷酸合成器中。这个合成器将会快速地生产出寡核苷酸，它们会利用我们的吉布森组装机器人自动地合并，然后把它们组装起来。
虽然与40年前相比，寡核苷酸的合成已经能够以显著提高的精确度进行了，但是在这个过程中仍然很容易出错，会产生一小部分意料之外的DNA序列，差错的数量则通常与需要合成的DNA片段的大小相关。在组装标准寡核苷酸的过程中，合成错误率通常为每千个碱基对中有一个错误。这是一个意料之中的错误率，如果在组装过程的初期，寡核苷酸的错误不被剔除掉（例如，在克隆和测序阶段或在使用纠错酶的时候），那么即使不是全部都有错误，大多数含有10 000个以上的碱基的DNA片段也将都包含错误。为了解决这个基础性问题，我们已经想出了一种新方法，它应该能够为高精确度的DNA合成铺平道路。

文章图片

随着寡核苷酸的组装以及聚合酶链式反应的扩增，我们能够利用一种叫作核酸内切酶的酶把任何含有错误序列的DNA删除。这种特殊的生物机器人是我们通过使用一种叫作“原型”（Archetype）的软件系统发现的。这个软件系统是由合成基因公司的托比·理查德森（Toby Richardson）和他的团队为存储、管理和分析生物序列数据而开发出来的。 “纠错”过程开始于变性和退火被聚合酶链式反应扩增的DNA ，结果使得它形成了双链DNA 。少数的双链DNA分子在每个位置上都包含正确的DNA序列，因而被核酸内切酶所忽略。然而，在DNA中还会出现替代物、缺失部分或者插入物，所有这些有错误的DNA以及被称为异源双链DNA的碱基对错配的双链DNA ，都会被核酸内切酶识别出来并裂解。
“完整的分子比经过内切酶消化的DNA能够更有效地扩增”这个事实意味着，我们可以使用第二个聚合酶链式反应来提高无错误的合成基因片段的百分比。这种方法通常会形成更低的错误率，其合成碱基对的错误率通常低于1/15 000 ，并且通过执行额外的几轮纠错过程能够进一步提高正确率。在目前这个阶段，我们已经生产出了足够精确的DNA分子，它能够凭借自身的力量制造出最终产品，比如DNA疫苗（DNA被引进体内细胞以制造疫苗蛋白）。它的潜力几乎是无限的。利用合成DNA ，我们最终将有可能创造一切形式的生命。

文章图片

结语
运用由马歇尔·尼伦伯格在20世纪60年代首创的一种体外无细胞蛋白质合成技术，合成DNA构件现在已经能够在自动化系统中生产蛋白质了。只需把来自噬菌体或病毒的DNA引入到一个受体细菌细胞内，它便会在受体细菌细胞内接管该细胞的蛋白质和DNA合成机器，从而制造出更多的自身的副本。
【技术|一种颠覆性技术，量子隐形传输能实现，用DNA合成机器却很困难】来自：小彭为你解惑