生物計算機,讓人類進入「無癌時代」

2021-01-18 人人健康微閱讀


（人人健康記者  常曉）我們聽說過超級計算機、量子計算機，但是，有一種特殊的計算機同樣是未來計算機發展的一大方向，那就是生物計算機。而許多年來，有一家科技巨頭一直對生物計算機的前景表現出濃厚興趣，那就是微軟。


「未來10年內攻克癌症」！作為昔日PC時代的霸主，微軟公司就是要利用開拓性的生物計算機科學技術破解患病細胞代碼，對患病細胞進行重新編程，讓其重回健康狀態。


就像通過編程可以解決電腦病毒問題，微軟認為通過對人體系統編程也可解決癌症。


為此，微軟在英國劍橋專門成立了「生物運算」部門，這個部門匯集了150名世界頂尖的生物學家、程式設計師以及工程師。


這個由跨學科科學家組成的「小型軍團」，利用人工智慧作為武器對癌症發起進攻。

微軟預言，利用生物計算機，10年內攻克癌症問題，人類將進入「無癌時代」。



眾所周知，計算機就是一個能通過一定算法處理信息的機器。而目前，微軟「生物運算」部門的研究者正在研發一種利用DNA製作的「分子計算機」。


DNA計算機是一種生物形式的計算機，所以又叫生物計算機，它是由DNA（脫氧核糖核酸）、RNA（核糖核酸）和蛋白質分子構成的分子自動機。


電子計算機是以電流來傳遞信號的，而在生物計算機中，傳遞信號的則是不同的蛋白質分子。由於蛋白質分子不僅比矽晶片上的電子元件小得多，而且阻抗低、能耗小，因而既有巨大的存儲容量和高速處理信息的能力，又較好地解決了散熱問題。


據研究者介紹，這種計算機可以在細胞內部「存活」，並且可以隨時監測身體是否會出現異常情況，比如說癌症。一旦「生物計算機」發現某個細胞會出現癌變的可能性，它就會重新啟動系統，清除病變的細胞。


如此看來，在生物計算機內，計算不再是物理性質的符號變換，而是化學性質的符號變換，傳統意義上的「加」「減」操作也變成了化學性質的切割和粘貼、插入和刪除。


「我認為未來利用生物計算機來攻克癌症是一件非常自然的事。我們設計的這種計算機科學擁有海量的專業知識，其實癌症的發生也只是一個計算問題。」


微軟該項目的負責人表示，這不僅僅只是個比喻，而是建立在深刻的數學洞察基礎上。


生物學和計算機學看起來千差萬別，但是它們在最基本的層面上有很深的聯繫。


目前，「生物運算部門的編程原理與工具小組已經開發出能夠模仿健康細胞活動的軟體，通過與健康細胞活動進行對比，這款軟體能夠識別病變細胞，並且能夠發現病變的根源並給出解決方案。據微軟稱，這款生物模型分析軟體已經被用來幫助研究者了解如何更有效地治療白血病。



「如果我們能夠控制和調節癌症，讓它變得像普通的慢性疾病，那麼生物計算機就算是研究成功了」。Fisher（費希爾）是劍橋大學高級研究員和副教授，現在她也是微軟「生物運算」部編程原理與工具小組的一員。


費希爾展望了一個美好的未來：每天早上醒來之後，查看電子郵件的同時，我們也會查看我們的基因組數據、我們的脈搏、睡眠數據以及運動數據等等。


這些數據都會存在電腦雲端，通過利用機器學習和自然語言處理對個人健康數據進行分析，對比正常狀態下的身體數據，人工智慧軟體會告訴你，最近是否容易感冒或者患上更糟糕的疾病。


同時，腫瘤醫生也可以根據這些數據為患者定製個性化的癌症治療方案。


「為此，我們需要建立一個計算機模型，模擬我們體內基本的發生過程。」費希爾說，正常發育的細胞分裂和死亡之間存在一個特定的平衡，一旦平衡被打破了就意味著身體出現了問題，比如說不受控制的癌細胞增殖。


利用體內分子計算機來監測我們身體，那麼一旦平衡被打破我們就能收到預警。


事實上，不只製造能夠監視體內狀況的「生物計算機」，微軟還希望在生物計算機上開發一款能夠「看懂」3D醫療影像的系統。


對於大多數的醫院和醫生來說，進行腫瘤手術前首先要通過放射科掃描，然後用手勾勒出幾十個腫瘤的輪廓來建立3D模型。這項工作費時費力，通常需要花費4個小時，而且建立的模型也不夠準確。


目前，微軟的工程師已經發明了一個軟體，它可以讀懂大型的3D醫療影像，並且可以在幾分鐘內就「勾畫」腫瘤的形狀。通過對3D醫療影像分析，這款軟體可以準確地告訴醫生自上一次掃描，腫瘤是變大了，變小了，還是改變形狀了。


同時它還能提供有關組織密度的信息，讓醫生更有效地在「囊腫」和「腫瘤」之間進行判斷，並且它還能提供對腫瘤周圍細胞的健康狀況分析。


此外，醫生還可以對3D腫瘤模型進行3D列印，可以列印出大小位置完全一樣的3D模型，幫助外科醫生跳出「憑空想像「的窘境，在手術前明確重要管道走向，制定手術路徑並預演手術。


這項技術尤其適合難以實施手術的腫瘤。



生物計算機具有實時探測和監控基因突變等細胞內一切活動的特徵信息，並確定癌細胞等病變細胞等功能，所以對於生物計算機的研究，整個醫學界都充滿了期待。


有科學家表示，利用DNA計算邏輯的運算判斷能力開發出「能檢測」「會思考」的智能生物計算機設備，將使得開發個性化的「智能藥物」也成為現實。


如果基因可被讀取、預測和改寫的「DNA計算機」能夠成功，不僅可以充當監控設備，發現潛在的致病變化，還可以在人體內合成所需的藥物，治療癌症、心臟病、動脈硬化等各種疑難病症，甚至在恢復盲人視覺方面也將大顯身手。


微軟有關生物計算機的研究無疑邁出了很大一步，也是人類抗擊疑難雜症一次「巨大的轉向」。不過，儘管有些成果，但目前生物計算機仍然處於非常早期的研究階段。


由於受目前生物技術水平的限制，DNA計算過程中，前期DNA分子鏈的創造和後期DNA分子鏈的挑選，都要耗費相當大的工作量。


我們不知道10年後微軟是否能夠踐行它的諾言，讓人類進入「無癌時代」，但我們希望如此。


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