生物技术的好处和风险

科学家如何利用大自然的机器造福人类，又怎么会出错呢？

生物技术几乎与人类一样古老。你吃的食物和你爱的宠物？您可以感谢我们远方的祖先发起了农业革命，对作物，牲畜和其他家养动物进行了人工选择。当爱德华·詹纳（Edward Jenner）发明疫苗和亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）发现抗生素时，他们就在利用生物技术的力量。而且，当然，如果没有赋予我们啤酒，葡萄酒和奶酪的发酵过程，现代文明将难以想象！

当他在1919年创造这个名词时，农业学家卡尔·埃里基（Karl Ereky）将“生物技术”描述为“通过生物利用原材料生产产品的所有工作方式。”在现代生物技术中，研究人员对DNA和蛋白质进行修饰以形成蛋白质。活细胞，植物和动物的能力变成对人类有用的东西。生物技术人员通过对自然界中发现的DNA进行测序或读取，然后在试管中或最近在活细胞内部对其进行操作，来进行此操作。

实际上，最近最激动人心的生物技术进步发生在细胞膜的微观层面（甚至更小！）。经过数十年的基础研究，对细胞的化学和遗传结构进行了解码，20世纪中叶，生物学家发起了数十年的研究和突破。他们的工作为我们带来了当今生物技术人员可以使用的强大的细胞工具。在未来的几十年中，科学家将使用生物技术的工具来控制细胞，从精确地编辑DNA到从其基本化学构件合成整个基因组，其控制越来越严格。这些细胞可能会继续变成嗅嗅植物，创造奇迹的癌症药物或“灭绝”毛猛ma象。生物技术可能是对抗气候变化的关键盟友。

但是重写生活的蓝图会带来巨大的风险。首先，可以使用延长寿命的相同技术来结束生命。尽管研究人员可能认为对增强型流感病毒进行工程改造是更好地理解并抗击流感的完全合理的方法，但公众可能会看到同样明显的弊端：该病毒可以逃脱，或者有人可以为这项研究提供武器。一些人正在考虑用来控制蚊子的先进遗传工具可能会产生无法预料的影响，可能导致环境破坏。最先进的生物技术可能无法与墨菲定律匹敌。

尽管生物技术的风险已经困扰了数十年，但从低成本的DNA测序到快速的基因合成再到精确的基因组编辑的不断发展的步伐表明，生物技术在有益的应用和更令人担忧的风险方面正进入成熟的新领域。更令人担忧的是，DIY科学家越来越多地将生物技术工具带到实验室之外。目前，生物技术的许多好处是具体的，而许多风险仍然是假设，但与主动等待并先解决问题再尝试解决损害相比，积极主动地认识到这些风险要好得多。

卫星图像清楚地表明了人类对地球表面的巨大改变：开阔的森林，巨大的水坝和水库，数百万英里的道路。如果我们能够拍摄微观世界的卫星图像，那么生物技术的影响将同样明显。我们所吃的食物大部分来自工程植物，这些植物经过改良（通过现代技术或更传统的人工选择），可以在不使用农药的情况下生长，需要更少的营养或可以承受迅速变化的气候。制造商已经在许多消费品中用生物材料代替了石油基成分，例如塑料，化妆品和燃料。您的洗衣粉？它几乎可以肯定包含生物技术。几乎所有的棉布衣服也一样。

但是，生物技术的最大应用也许是人类健康。从生育协助到产前检查再到家庭妊娠测试，生物技术在我们出生之前就已经存在于我们的生活中。它伴随着我们度过了童年，免疫和抗生素都大大提高了他们的预期寿命。生物技术是用于治疗癌症和心脏病的重磅炸弹药物的背后，并且正被用于前沿研究以治疗阿尔茨海默氏症和逆转衰老。这项名为CRISPR / Cas9的技术的科学家认为，这可能是安全编辑DNA以治愈遗传疾病的关键。一家公司押注，通过在嵌合猪中生长人体器官，可以消除器官移植等待名单。

随着兴奋，研究的迅速发展也引发了人们对生物技术进步的后果的质疑。生物技术可能比其他科学领域承担更大的风险：微生物很小且难以发现，但危险却是巨大的。此外，工程细胞可能会自行分裂并在野外传播，并可能产生深远的后果。生物技术很可能通过仁慈的研究产生意想不到的后果，或者有目的地操纵生物学来造成危害，从而证明是有害的。人们还可以想象混乱的争论，其中一组从事另一种认为危险或不道德的生物技术应用。

1930年代澳大利亚的甘蔗种植者遇到了一个问题：甘蔗甲虫正在破坏其农作物。因此，他们认为，进口天然捕食者（甘蔗蟾蜍）可能是一种自然的虫害控制形式。可能出什么问题了？好吧，蟾蜍本身成了一个主要的麻烦，遍布整个大陆并吃了当地的动物（具有讽刺意味的是，甲虫除外）。

尽管现代生物技术解决社会问题的方法似乎比将两栖动物空投澳大利亚更复杂，但这个故事应该作为一个警示性的故事。为避免误入灾难，应该承认过去的错误。

• 在2014年，疾病控制中心受到了反复的错误审查，该错误屡屡导致科学家暴露于埃博拉，炭疽和流感。荷兰的一位教授在2011年遭到轰动，当时他的实验室设计了一种致命的，空降的流感病毒，并试图发布细节。这些实验室和其他实验室研究病毒或毒素以更好地了解它们所构成的威胁并试图找到治疗方法，但是如果由于人为失误释放或处理了致命的材料，他们的工作可能会引发公共卫生突发事件。

• 蚊子是疾病的传播者，包括Zika，疟疾和登革热等有害甚至致命的病原体，它们似乎在生态系统中没有任何生产性作用。但是，平民和立法者对蚊子控制策略提出了担忧，该策略将通过基因改变和破坏携带疾病的蚊子。该技术被称为“ 基因驱动 ”，旨在通过有性繁殖在一个种群中快速传播一个基因。例如，为了控制蚊子，科学家们可以将经过改良而只生产不育后代的雄性释放到野外。基因驱动研究人员进行了风险评估，并为他们配备了保障措施使审判尽可能安全。但是，由于从未在野外对人造基因驱动器进行过测试， 因此无法确定灭绝蚊子对环境的影响是不可能的。此外，一旦在野外释放，基因驱动器极有可能发生突变，这是研究人员从未计划过的传播基因。即使掌握了逆转恶意基因驱动器的策略，科学家们也可能发现，一旦基因驱动器在实验室外传播，它们就难以控制。

• 当科学家们寻找显然对HIV免疫的人的DNA的线索时，他们发现抗药性个体已经突变了一种蛋白，该蛋白可以作为HIV在血细胞表面的着陆点。由于这些患者在缺乏蛋白质的情况下显然是健康的，因此研究人员认为，在感染或处于危险中的患者的细胞中删除其基因可以永久治愈HIV和AIDS。随着新工具的到来，一套名为CRISPR / Cas9的“ DNA剪刀”这项具有对HIV，癌症和许多其他遗传疾病进行简单基因手术的希望，科学界开始想象几乎无限的可能性。但是在人类细胞中进行CRISPR / Cas9的试验却产生了令人不安的结果，突变出现在基因组的某些部分中，这些突变原本不应作为DNA改变的目标。虽然糟糕的发型可能会令人尴尬，但CRISPR / Cas9的错误发型可能会更加严重，从而使您更恶心而不是更健康。如果对胚胎进行这些编辑，而不是对完整的成年细胞进行编辑，那么这些突变可能会永久进入基因库，这意味着它们将传给所有后代。到目前为止，著名的科学家和著名的期刊都呼吁暂停执行 在可行的胚胎中进行基因编辑，直到更好地了解风险，道德和社会影响。

最近，全世界目睹了埃博拉和寨卡病毒等疾病暴发的毁灭性后果，但它们是自然起源的。生物技术的恶意使用可能意味着未来的爆发是有目的的。无论犯罪者是国家行为者还是恐怖组织，生物武器的开发和释放，如毒药或传染病，将很难被发现，甚至更难以制止。与子弹或炸弹不同，致命细胞在部署后可能会继续扩散很长时间。美国政府非常重视这一威胁，也不应该轻视生物武器对环境的威胁。 

发达国家，甚至是贫穷国家，都有生产生物武器的资源和专门知识。例如，有传言说北韩已经组装了一个包含“ 炭疽，肉毒杆菌病，出血热，鼠疫，天花，伤寒和黄热病 ” 的武库，以备攻击时使用。假设恐怖分子或其他团体也试图利用生物武器并不是没有道理的。确实，已经记录了许多使用化学或生物武器的情况，包括9/11之后不久的炭疽热恐慌，有毒细胞通过邮件发送后有5人死亡。而且新的基因编辑技术增加了针对特定种族甚至是特定种族的假想生物武器的可能性。像世界领导人一样的单身人士，有一天可能成为现实。

虽然使用传统武器进行攻击可能需要的专业知识要少得多，但生物武器的危险也不容忽视。如果没有大量昂贵的材料和科学知识，制造生物武器似乎是不可能的，但是生物技术的最新进展可能使在专门研究实验室之外生产生物武器变得更加容易。化学制造DNA链的成本正在迅速下降，这意味着一天有可能在家中“打印”致命的蛋白质或细胞。科学出版的开放性对我们的快速研究进展至关重要，这也意味着任何人都可以自由地搜索致命神经毒素的化学细节。实际上，增压流感病例中最有争议的方面不是实验已经进行，而是研究人员想公开分享细节。

更有希望的是，科学的进步可能使研究人员能够尽快找到解决生物技术威胁的方法。重组的DNA和生物技术工具已使新疫苗得以迅速发明，可以预防自然或人为的新疾病暴发。例如，在世界卫生组织宣布寨卡病毒为突发公共卫生事件不到5个月后，研究人员获得批准将患者纳入DNA疫苗试验中。

从根本上改变我们的生活，生物技术并不一定要致命甚至危险。几千年来，人类一直在改变植物和动物的基因-首先是通过选择性育种，最近才使用分子工具和嵌合体 -我们才刚刚开始对自己的基因组进行改变（争议很大）。

CRISPR / Cas9和DNA合成等尖端工具提出了重要的伦理问题，这些问题日益迫切需要回答。有人质疑改变人类基因是否意味着“扮演上帝”，如果是，我们是否应该这样做。例如，如果人类接受基因治疗可以治愈疾病，那么您会划清界限吗？在与疾病相关的基因突变中，有些具有过早死亡的虚拟确定性，而另一些则使您罹患阿尔茨海默氏病等风险更高，但不能保证您会得这种病。许多其他人介于两者之间。我们如何确定对哪种基因手术进行硬性限制，以及在什么情况下，特别是考虑到手术本身会带来遗传损伤的风险，我们该如何确定？多年来，学者和政策制定者一直在努力解决这些问题，并且在诸如《联合国人类基因组与人权世界宣言》等文件中也有一些指导。

生物技术可能导致社会不平等的方式又如何呢？基因手术的早期工作无疑将是昂贵的–例如，诺华计划对他们最近批准的癌症疗法进行一次性治疗，费用为475,000美元，该药物在试验中已经挽救了面临某些死亡的患者。如今的收入不平等，再加上生物技术工具和“ 设计师婴儿 ”的谈论，是否会导致明天无法负担基因改良的永久底层人群？

从关于改变生命的问题到从头创造生命的问题，生物技术的发展正在使争论不断升级。例如，最近宣布的一项名为GP-Write的计划的目标是在未来10年内用化学构件合成整个人类基因组。该项目的组织者考虑了许多应用，从带回毛茸茸的猛 to 象到猪中生长的人体器官。但是，正如批评家所指出的那样，这项技术可以使没有亲生父母的孩子产生，或重建另一个人类的基因组，例如制造爱因斯坦的细胞复制品。“从头开始创建人类基因组将是一种巨大的道德姿态，”两人写道有关GP-Write项目的生物伦理学家。作为回应，GP-Write的组织者坚持认为，他们欢迎激烈的伦理辩论，并且无意将合成细胞转变为活人。但这不能保证将来不会以我们无法预测的方式应用快速发展的技术。

没有DNA测序，几乎无法想象现代生物技术。由于几乎所有生物学都围绕着DNA中包含的指令，因此希望改变细胞，植物和动物特性的生物技术人员必须说相同的分子语言。DNA由四个构件或碱基组成，DNA测序是确定DNA链中这些碱基顺序的过程。自2003年完整人类基因组发布以来，DNA测序的成本已大大降低，使其成为一种简单而广泛的研究工具。

好处：索尼娅·瓦拉比（Sonia Vallabh）的母亲刚刚因罕见的致命遗传病去世，刚从法学院毕业。DNA测序表明，Sonia也携带致命突变。但是，索尼娅和丈夫埃里克（Eric）并没有屈服于命运，而是决定进行反击。今天，他们是哈佛大学的研究生，竞相寻找治疗方法。DNA测序也使索尼娅怀孕了，因为医生可以对她的卵进行无突变的测试。尽管大多数人的遗传蓝图没有致命的谜团，但DNA测序已实现的医学突破为我们的健康提供了越来越多的支持。例如，研究人员能够使用DNA测序实时追踪2014年埃博拉疫情。制药公司正在设计针对具有特定DNA突变的人的新型抗癌药。整个新领域，例如个性化医学，都归功于DNA测序技术。

风险：简单地读取DNA并不会有害，但这是所有现代生物技术的基础。俗话说，知识就是力量，滥用DNA信息可能会带来可怕的后果。尽管仅靠DNA测序无法制造生物武器，但很难想象如果无法分析传染性或致命性细胞或病毒的基因就会发动生物战。尽管传统上将自己的DNA信息视为个人和私人信息，其中包含有关您的祖先，家庭和医疗状况的信息，但政府和公司越来越多地在收集的信息中包含个人的DNA签名。有人警告说这样的数据库可以用来追踪人或根据私人病历进行区分-观看过电影GATTACA的任何人都熟悉的反乌托邦式的未来愿景。FDA和直接面向消费者的基因检测服务23andMe之间的争议证明，即使是在没有适当背景的情况下为患者提供自己的遗传信息，也都受到了审查。最终，DNA测试为道德上的棘手问题打开了大门，例如在发现胎儿具有基因突变后是否继续妊娠。

当科学家首次在试管中操纵（或“重组”）DNA时，就诞生了现代生物技术领域，如今，社会的几乎所有方面都受到所谓的“ rDNA”的影响。重组DNA工具使研究人员可以选择他们认为对健康或工业重要的蛋白质，然后从其原始背景中删除该蛋白质。去除后，可以在易于操作的物种（例如大肠杆菌）中研究蛋白质。这样一来，研究人员就可以大量繁殖它，对其进行工程改造以提高性能，和/或将其移植到新物种中。现代生物医学研究，许多畅销药物，您所穿的大多数衣服以及您所食用的许多食物都依赖于rDNA生物技术。

好处：简而言之，rDNA改变了我们的世界。现代医学的进步是难以想象没有研究细胞和用rDNA的蛋白质和用来制造它的工具，如能力PCR，这有助于研究人员复制和粘贴“在试管中的DNA。越来越多的疫苗和药物是rDNA的直接产物。例如，当今用于治疗糖尿病的几乎所有胰岛素都是重组产生的。此外，奶酪爱好者可能想知道rDNA为西方生产的大多数硬奶酪提供成分。许多重要的农作物已经过转基因改造，以提高产量，承受环境压力或无需农药即可生长。面对气候变化前所未有的威胁，许多研究人员认为，rDNA和GMO对人类适应快速环境变化的努力至关重要。

4.基因组编辑风险： DNA合成引发了重大争议和道德问题。例如，当宣布 GP-Write项目时，一些人批评组织者合成基因组可能引起的令人不安的可能性，就像把它当作玩神一样。例如，合成爱因斯坦的基因组并将其移植到细胞中是否合乎道德？做到这一点的技术尚不存在，GP-Write的领导者已放弃在活细胞中制作人类基因组的想法，但有些人仍在要求进行道德辩论。在技术问世之前就发生了。此外，廉价的DNA合成有一天可以使制造生物武器或其他令人讨厌的东西的能力民主化，正如一位病毒学家在他通过互联网订购的 DNA制造马痘病毒（与导致天花的病毒有关）时所证明的那样。（但是，应该指出，制造马痘病毒的其他成分是专用设备和深厚的技术专长。）

许多疾病是我们DNA的基础，直到最近，医生还很少有工具来解决根本原因。随着最近发现一种叫做CRISPR / Cas9的DNA编辑系统的出现，这种情况似乎已经改变。（术语说明– CRISPR是细菌免疫系统，而Cas9是该系统的一种蛋白质成分，但两个术语通常都用于指该蛋白质。）它在DNA剪刀等细胞中运作，在基因组中打开了缝隙科学家可以在其中插入自己的序列。尽管切割DNA的能力并非史无前例，但Cas9凭借其有效性和易用性而在竞争中脱颖而出。尽管这是一个生物技术新人，但许多科学界已经抓住了“ CRISPR热”，并且生物技术公司也在竞相将基因组编辑工具变成下一个重磅炸弹药物。

好处：基因组编辑可能是解决当前难治的遗传疾病（例如由单一遗传缺陷引起的囊性纤维化）的关键。如果Cas9能够以某种方式插入患者的细胞中，它可以修复导致此类疾病的突变，从而提供永久性的治愈方法。即使是由许多突变（例如癌症）引起的疾病，也可能是由病毒（例如HIV / AIDS）引起的疾病，也可以使用基因组编辑来治疗。就在最近，FDA小组推荐了一种针对癌症的基因疗法，该疗法对于用尽所有其他疗法的患者显示出惊人的反应。基因组编辑工具还用于制作疾病的实验室模型，存储内存的细胞以及可以检测流行病毒的工具像Zika或Ebola。如上所述，如果有效利用Cas9的基因驱动器得以部署，我们就可以消除诸如疟疾之类的疾病，该疾病每年造成近50万人死亡。

风险： Cas9引起了极大的争议，因为基因组编辑既带来安全问题，又带来道德风险。切割和修复细胞的DNA 并非没有风险，并且过程中的错误可能会使疾病变得更糟，而不是更好。在生殖细胞（如精子或卵）中进行基因组编辑可能导致遗传变异，这意味着危险的突变可能会遗传给后代。一些人警告说基因编辑的不道德用途，担心如果允许父母选择子女的特征，即使现在的人的基因与其智力，外表等之间没有直接联系，“ 设计婴儿 ” 的兴起也可能会增加。基因驱动尽管可能将某些疾病的传播减至最少，但由于其意图是杀死或改造整个物种，因此有可能造成巨大伤害。成功的基因驱动可能会产生意想不到的生态影响，恶意使用或以意想不到的方式变异。最后，尽管该能力目前尚不存在，但流氓代理可能会开发出具有遗传选择性的生物武器，以具有某些遗传特征的个人或人群为目标，这并非没有可能性。

影片

• Marc Lipsitch教授：潜在大流行病原体功能获得实验的风险和收益

• Cathal Garvey：将生物技术带入家庭（TEDx演讲）：在此TEDx演讲中，Cathal Garvey回顾了生物技术的优势，并在开发中介绍了消费者生物技术。例如生物打印机，定制的宠物，可下载的DNA和生物芯片。

• Nina Tandon：关心工程组织（TED演讲）：在TED演讲中，Nina Tandon谈到了通过复制自然环境来照顾人工生长的细胞的简单而有效的方法。

• 格雷戈里·斯托克（Gregory Stock ）：人是要升级（TED演讲）：生物技术伦理学家格雷戈里·斯托克（Gregory Stock）谈论了新的，更有意义的（和有争议的）技术，例如可定制的婴儿，其采用可能推动人类进化。

• 理查德·雷斯尼克（Richard Resnick）：欢迎来到基因组革命（TEDx演讲）：在TEDxBoston的可访问演讲中，理查德·雷斯尼克（Richard Resnick）展示了廉价而快速的基因组测序将如何颠覆医疗保健（以及保险和政治）。

• 艾伦·乔根森（Ellen Jorgensen）：生物黑客–您也可以做到（TED演讲）：在本TED演讲中，艾伦·乔根森（Ellen Jorgensen）向我们介绍了生物黑客社区，并回顾了有关生物黑客危险的常见误解。