這次疫情會不會讓生物學進一步發展?

黃瓜蛙


生物信息或生物統計也是可以考慮的方向,兩個學科和生物沾邊但對數理統計的要求更高,可以說出了半個生物坑吧。這次疫情里人群流行病研究用到了生物統計,病毒的序列比對則用到了生物信息。疫情早期發表的論文大多是採取生物信息學的研究方法,分析數據庫裡武漢公佈的從感染病例那兒獲得的病毒序列發的。

和這次疫情關係最密切的學科當屬醫學和生物學,醫者在前線戰場救治病人,生物學家在後方戰場分析戰況,開發有效藥物。如今幾乎任何一項生物學研究課題都離不開生物信息學作為數據分析手段,其作為一門由生物學、計算機科學、應用數學等學科交叉融合而形成的一門新興學科,對多年來萬千科學家積累的大量實驗數據進行收集、分析和提取,從中發現各樣本的聯繫和規律,在基因組測序、基因序列拼接、基因註釋與功能研究等領域起著重要作用,應用層面可用於對病原微生物的鑑定與溯源、疾病診斷、藥物疫苗研發等[1]。本次新冠肺炎疫情中,生物信息技術充當著貫穿前線後場的大將角色,以下是幾個生物信息從中起著重要作用的SARS-COV-2研究。

1 SARS-CoV-2檢測試劑盒的研發

WHO網站公佈了目前各國對新冠病毒疑似病例的檢測幾種方法,如冠狀病毒檢測PCR試劑盒法、IgM/IgG抗體檢測試劑(膠體金法)法等,而我國臨床包括官方的確認案例是以核酸檢測為準,冠狀病毒檢測PCR試劑盒的檢測原理即通過提取病人樣本中的RNA進行RT-PCR,通過擴增反應將樣本中微量的病毒信息加以放大,最後以熒光的方式讀取信號。如果PCR之後信號為陽性,那麼就可以說樣本中存在病毒,反之則說明測試者沒有被感染。對PCR的原料之一——引物的設計就要用到生物信息學的手段,這是非常關鍵的一步,實驗員需要對這個新找到的病毒進行全基因組測序和生物信息學分析,設計出合適的引物並驗證其特異性、敏感性,確保探針高效識別新型冠狀病毒基因。因此,只有設計出適當的引物,才能做出具有正確結果的病毒檢測的PCR反應。當然也可以用測序的方法更準確地確認新型冠狀病毒,這種方法中生物信息技術應用得最直接,但是對儀器要求高,速度也慢,不適合對大量疑似病例的批量篩查。

2 SARS-CoV-2致病機制研究

李鑫等[2]利用生物信息學的研究方法,通過使用NCBI 工具Blast比對SARS-CoV-2與SARS冠狀病毒的病毒顆粒表面S蛋白(Spike Protein)亞基核酸序列同一度,發現SARS-CoV-2 S蛋白上的一個重要突變,這個突變使 SARS-CoV-2具有了一個可供 Furin蛋白酶切的位點,這是SARS冠狀病毒所不具有的。通過檢索NCBI Genbank數據庫和蛋白質二級結構預測確定“ RRAR” 未參與摺疊配對的方式排除“ CGGCGG” 來自測序或拼接錯誤,最後,使用華大基因公開的148條SARS-CoV-2基因組序列確定了所有SARS-CoV-2的S蛋白都包括完全一樣的Furin酶切位點。於是研究得出的一個結論是這個突變有可能增強了SARS-CoV-2侵染細胞的效率,進而使其傳播力顯著大於SARS冠狀病毒。由於這個突變,SARS-CoV-2的感染機制也會不同於 SARS等大部分 Beta冠狀病毒,而與鼠肝炎冠狀病毒、HIV、埃博拉病毒和一些禽流感病毒的感染機制更相似。

3 SARS-COV-2進化分析

在一篇目前尚有爭議的預印文章中,中國科學院西雙版納熱帶植物園等機構的研究人員[3]主要使用生物信息學的分析方法,用基因組學數據來追蹤病毒在傳播過程中的突變。在這項研究中,他們使用了GISAID EpiFluTM數據庫中的93個SARS-CoV-2完整基因組來解碼最近兩個月SARS-CoV-2的進化和人對人的傳播。通過單倍型分析,NETWORK單元型進化分析,基於模型計算人口規模的擴展日期等方法,發現與已發表的SARS-CoV和MERS-CoV基因組相比,SARS-CoV-2的基因組變異仍然較低。文章推測,華南市場的SARS-CoV-2來源應從其他地方進口,擁擠的市場促進了SARS-CoV-2市場的快速流通,於是於2019年12月上旬傳播到整個城市。

而在疫情發展的過程中,無論是在科學界還是社會輿論,病毒的來源始終是一個熱點話題,這也是一個需要藉助生物信息學研究的問題。大多數的人看待尋找病毒來源的過程(稱為“溯源”)如同柯南和金田一尋找兇手一樣,目的是找到作案的兇手,從而得以把禁足的怨氣投射到一個實體上。實際上我們很多人都低估了傳染病溯源的意義。高中生物必修課本上介紹過傳染病的三大環節:傳染源、傳播途徑、易感人群。傳染源作為第一環,溯源的意義在於排查潛在的未知爆發風險,因為我們不知道是否在地球上某個地方還存在著一群攜帶著可以感染人的冠狀病毒的野生動物,就像尖銳溼疣一樣永遠除不盡。那麼我們要如何運用強大的生物信息學以預防下一次疫情的發生呢?在我看來,這次針對新冠病毒建立的核酸、蛋白數據庫,病毒進化分析模型等生信手段,將有效提高研究人員在下一次疫情爆發之前,對病原的核酸和蛋白質序列的檢測分析過程,越早推測出合理的病原傳染力和致死率,就能協助政府儘早防患於未然,避免大範圍的傳播。[4]

生物信息學作為一門交叉學科他能把計算機和應用數學學科的理論和技術應用到生物研究中,實現了對大量實驗數據的處理分析,幫助研究人員發現現象底下蘊含著的生命規律,極大地推動了生命科學前沿研究的發展。但於此同時生物信息技術也有著不可避免的缺陷,其得出的結果受數據、模型、研究方法等方面的影響較大,不完善的結果可能會對公眾輿論產生誤導,很容易成為滋生各種陰謀論的土壤。如有人質疑Decoding evolution and transmissions of novel pneumonia coronavirus using the whole genomic data文章中所用的數據樣本量完全來自1.5號前的樣本,數量太少沒有說服力;美國所謂兩個最早的特殊單倍型實際上都有武漢旅行史。因此我認為生物信息技術是用於實驗分析的重要工具,但不能用其一錘定音。


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習近平總書記近日主持召開中央全面深化改革委員會第十二次會議並發表重要講話指出,“要從保護人民健康、保障國家安全、維護國家長治久安的高度,把生物安全納入國家安全體系,系統規劃國家生物安全風險防控和治理體系建設,全面提高國家生物安全治理能力。要儘快推動出臺生物安全法,加快構建國家生物安全法律法規體系、制度保障體系”。生物安全是國家安全的重要組成部分,對社會經濟發展、人民健康及生態環境具有不可估量的影響。我國應儘快採取有效措施,切實開展生物安全風險防控和治理體系建設。

  加強生物安全技術保障

  生物技術具有廣闊應用前景,有助於解決食品短缺、疾病傳播、環境汙染等問題。但是生物技術本身也是一把雙刃劍,潛藏著巨大的安全風險,在發展和應用過程中一旦失控,就會帶來難以想象的後果。生物技術濫用、病毒樣本洩露、基因武器風險等問題,對世界各國特別是發展中國家的國家安全構成了巨大威脅,需要採取措施加強技術保障。

  當前,與世界先進水平相比,我國在生物技術研發上相對落後,在生物技術、產品和標準上有較大差距,生物安全原創技術少,優秀成果少,存在關鍵技術“卡脖子”現象等,這些問題都亟待解決。生物安全涉及多學科、多領域,需要優化科技創新模式,通過政府引導投資、各類型企業融合,推動產學研一體化發展。加大對生物安全領域的投入,引進高新技術人才,開展戰略前瞻性研究,培育壯大生物安全科技企業,提升核心競爭力。實現生物樣本數字化與安全存儲、信息實時更新、快速檢索、在線監控和安全傳輸。針對傳染病疫情,及時建立病毒傳播模型,為精準溯源提供支撐,加強預測技術,通過症狀監測系統,有針對性地提高生物安全防禦。加快提高技術研發實力,鼓勵生物技術原創精神,努力創新、突破國外專利封鎖,促進生物技術產業規範化發展,穩步推進生物技術安全有序應用,加強生物安全基礎設施建設,不斷提升抵禦技術風險和外部威脅的能力。

  完善生物技術科學倫理制度

  生物技術是一項前沿科技,尚處於探索階段,具有很多不確定性因素。各種生物技術的出現,亦引發了相關科學倫理和安全性問題,生物技術可能帶來的內在安全性引發人們的憂慮。隨著生物技術研發能力的提高,相關技術的擴散和製造成本降低,生物安全問題日益凸顯。因此,及早應對生物技術帶來的科學倫理道德問題,防範生物技術誤用、濫用和非道德應用,控制生物安全風險,已成為國際科學界和世界各國的共識。


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有效的消滅細菌和病毒,是生態發展的必要作用,這次大規模冠狀病毒的瘋狂侵害,不但讓我們增強抗體,更重要的是抓住了病毒和細菌大範圍體內侵害的極限,得到了有力的證據和功破的目的,一一將成為以後治療疾病的寶貴經驗和預防手段。地球生物赤裸裸的被病毒和細菌所控制,也是生物鏈的分歧,直接影響著地球的生態發展。

人類在殘酷的現實下進步和發展,所起到的作用直接有效地打擊和消滅病毒細菌的活力及數量。

地球上一切的生物都有著各自的生命活力,不但是人類和動物,我們看看大地上的所有植物,更是病毒細菌活動的寄居繁殖場所,每一個草,每一顆苗,每一種樹,在曠野上無時無刻地在和病毒細菌的侵擾中頑強的生存著。

人類的生產生活的作用不可低估,比如,這麼多年以來,人們所需用的農產品成倍的遞增,這是農民的種植技藝與農藥的使用密不可分,是農藥抑制了農作物成長過程中所受病毒細菌侵害和吞噬,使得土地上的害蟲數量大幅度減少,為地球贏得了生命活力,生態環境的改變和文明生活的發展,是人們所依賴的所必要的責任和努力。


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