半導(dǎo)體與生物技術(shù)融合形成巨大沖擊力
[導(dǎo)讀]筆者在最近的采訪時(shí)了解到，在檢測(cè)和分析病毒、病原菌、癌癥中用到的DNA及蛋白質(zhì)分析技術(shù)中，現(xiàn)在已開始全面采用電子技術(shù)。電子尤其是半導(dǎo)體技術(shù)與生物、化學(xué)技術(shù)的關(guān)系比筆者想象的要緊密得多，而且今后還會(huì)進(jìn)一步融
筆者在最近的采訪時(shí)了解到，在檢測(cè)和分析病毒、病原菌、癌癥中用到的DNA及蛋白質(zhì)分析技術(shù)中，現(xiàn)在已開始全面采用電子技術(shù)。
電子尤其是半導(dǎo)體技術(shù)與生物、化學(xué)技術(shù)的關(guān)系比筆者想象的要緊密得多，而且今后還會(huì)進(jìn)一步融合。并且，融合所帶來的沖擊力非常巨大，甚至可以說具有破壞性。通過采訪，讓筆者更加相信兩者的融合將成為今后很多業(yè)務(wù)的收入來源。雖然目前市場(chǎng)尚未全面擴(kuò)大，但未來幾年之內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)幾百億日元規(guī)模的檢查技術(shù)。
工程師很容易理解DNA技術(shù)
說實(shí)話，筆者對(duì)生物學(xué)曾經(jīng)不以為然。說來慚愧，可能因?yàn)楣P者在高中的時(shí)候沒學(xué)好孟德爾定律，由此認(rèn)定生物學(xué)是一門非常復(fù)雜、需要死記硬背的科目。筆者的專業(yè)是物理學(xué)及其應(yīng)用，而不知為什么日本的生物學(xué)家中有不少人否定還原論，以及通過研究和實(shí)驗(yàn)增長(zhǎng)知識(shí)的科學(xué)觀，這也是筆者抵觸生物學(xué)的原因。
不過，國(guó)外有幾項(xiàng)生物技術(shù)，尤其是與DNA相關(guān)的研究，卻跟物理學(xué)和工學(xué)研究非常相似。筆者在學(xué)生時(shí)代讀過的、由發(fā)現(xiàn)DNA構(gòu)造的沃森(J.D.Watson)編著的《雙螺旋》是非常有趣的一本書。這既是一本非常棒的研究筆記，又能讓外行像讀最好的推理小說一樣津津有味地閱讀，可以體驗(yàn)到研究的驚險(xiǎn)和興奮。筆者完全沒有感覺到物理學(xué)、工程學(xué)與生物學(xué)的隔閡。
為撰寫報(bào)道，筆者大致了解了一些DNA的相關(guān)研究成果。通過學(xué)習(xí)，筆者還認(rèn)識(shí)到DNA及其作用其實(shí)就是將“生命的設(shè)計(jì)信息”翻譯成蛋白質(zhì)合成的一種信息通信技術(shù)。DNA也有相當(dāng)于通信編碼和糾錯(cuò)技術(shù)的機(jī)制。DNA分析技術(shù)則跟現(xiàn)有的通信技術(shù)相似。比如，首先放大微弱的信號(hào)，然后進(jìn)行分析。
進(jìn)步神速超過超級(jí)計(jì)算機(jī)
DNA分析技術(shù)的進(jìn)步史也跟計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體技術(shù)非常相似。比如，分析技術(shù)大幅提高了速度。解讀人類DNA中的30億個(gè)堿基對(duì)序列的“DNA測(cè)序”在1990年代之前大部分采用人海戰(zhàn)術(shù)。筆者有個(gè)從事DNA研究的大學(xué)同學(xué)就經(jīng)常抱怨連睡覺的時(shí)間都沒有。
而到了2000年代以后，分析程序的自動(dòng)化和并行化迅速發(fā)展，“分析速度2年提高了大約10倍”。那么10年就提高10萬倍。半導(dǎo)體技術(shù)在1年半～2年內(nèi)集成度和工作性能提高到了原來的2倍，超級(jí)計(jì)算機(jī)的速度2年提高了約4倍，10年提高了約1000倍，由此可見DNA分析技術(shù)的進(jìn)步有多快。在1990年代，解讀人類DNA所有堿基對(duì)需要幾年時(shí)間，而現(xiàn)在只需1～2天即可完成。
“實(shí)驗(yàn)室”內(nèi)的微細(xì)化跟半導(dǎo)體一樣
不過，直到幾年前，DNA分析技術(shù)大多還是化學(xué)方法?；瘜W(xué)的檢查技術(shù)不斷“微細(xì)化”，過去晃動(dòng)試管的工作已逐漸被整個(gè)實(shí)驗(yàn)室建立在芯片上的“芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-chip）”技術(shù)所取代，并且還推動(dòng)了DNA分析技術(shù)的巨大進(jìn)步。但是，即使解讀時(shí)間縮短，所使用的光分析裝置的小型化速度卻沒有能象分析時(shí)間那樣縮短得那么快。到現(xiàn)在，主要的分析裝置大多還有大衣柜那么大，能放到放在桌子上的儀器已算是非常小的了。
最近，電子技術(shù)終于走進(jìn)生物學(xué)領(lǐng)域，打破了以往的裝置常識(shí)，大幅減小了產(chǎn)品尺寸并提高了精度。比如，2012年英國(guó)OxfordNanoporeTechnologies公司推出的DNA分析裝置跟U盤差不多大，可拿在手里。
電子技術(shù)的參與是在化學(xué)技術(shù)的小型化之后才實(shí)現(xiàn)的。雖然晃動(dòng)試管的工作與電子技術(shù)沒有聯(lián)系，但芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)可以自然地理解為該工作要依托半導(dǎo)體芯片。順便一提，流感病毒直徑大約為100nm，剛好跟10年前的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)規(guī)則差不多。
生活的變化超過通信技術(shù)的進(jìn)步？
隨著DNA分析技術(shù)的進(jìn)步，還會(huì)出現(xiàn)一些讓人難以高興的事情，比如，可以了解自己未來的疾病及在孩子出生之前掌握孩子的遺傳信息。不過，DNA分析技術(shù)的進(jìn)步也確實(shí)對(duì)我們的生活提供了幫助。比如，不僅可以檢測(cè)出病毒及立即診斷出其他疾病，還能辨別藥效的不同。電子技術(shù)已開始用于檢查食品的種類、品牌及產(chǎn)地。不論好壞，這些DNA分析技術(shù)的進(jìn)步今后將極有可能大幅改變我們的生活。僅日本就有幾萬億日元的市場(chǎng)規(guī)模，也不算夸張。我們生活的改變程度或許會(huì)超過電話機(jī)變成手機(jī)和智能手機(jī)的沖擊力。
或許會(huì)有人反駁說，基本沒有實(shí)例證明DNA分析技術(shù)跟生活有關(guān)系。這樣說也不無道理。實(shí)際上，DNA分析技術(shù)過去可以說跟我們的生活根本沒有關(guān)系。直到最近，DNA分析大多還是以研究為主。
但是，這或許只是因?yàn)檫^去在技術(shù)上和成本上條件還不成熟。幾十天完成DNA測(cè)序是幾年前才實(shí)現(xiàn)的；而幾天完成DNA測(cè)序是2～3年前才實(shí)現(xiàn)的；而通過采用電子技術(shù)可將分析裝置拿在手里則是1年半前才實(shí)現(xiàn)的。十幾年前做一次DNA測(cè)序需要幾百億日元，而現(xiàn)在只需大約10萬日元，今后還會(huì)更便宜。將分析結(jié)果用于具體疾病診斷的認(rèn)識(shí)也在迅速普及。DNA分析技術(shù)的進(jìn)步速度非?？?，是其他技術(shù)無法比擬的，因此誰都難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其沖擊力。
另一方面，有廉價(jià)的技術(shù)出現(xiàn)，人們不可能不用。比如，只需對(duì)著智能手機(jī)吹氣即可診斷出病毒感染及癌癥等，當(dāng)場(chǎng)查看酒店的高級(jí)餐廳端上來的蝦的種類及產(chǎn)地等，以前只能認(rèn)為是科幻小說中的場(chǎng)景，在不久的將來就會(huì)實(shí)現(xiàn)。某位從事DNA分析的技術(shù)人員介紹說：“DNA檢測(cè)食品產(chǎn)地和品牌要比身份確認(rèn)等容易得多。”
半導(dǎo)體技術(shù)人員有很大的活躍余地
化學(xué)與電子之所以加速融合，主要是因?yàn)樵?jīng)的半導(dǎo)體技術(shù)人員很多參與到了DNA分析技術(shù)之中。美國(guó)生物技術(shù)廠商中，有不少風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)都在硅谷設(shè)立研究基地。日本技術(shù)人員中也有從量子計(jì)算機(jī)及攝像元件研究轉(zhuǎn)行做DNA分析的，以及到德國(guó)大學(xué)留學(xué)重新考取生物相關(guān)學(xué)位的。
他們?cè)谵D(zhuǎn)行時(shí)，也確實(shí)會(huì)因電子與生物技術(shù)的差異而感到過困擾。在德國(guó)大學(xué)留過學(xué)的一位技術(shù)人員說：“半導(dǎo)體技術(shù)和生物技術(shù)的技術(shù)用語不同，我花了很長(zhǎng)時(shí)間才習(xí)慣。”比如，“控制”在電子技術(shù)中用于表示控制，而在生物技術(shù)中則用來表示“做對(duì)照實(shí)驗(yàn)或與對(duì)照群進(jìn)行比較”。
電子尤其是半導(dǎo)體技術(shù)與生物、化學(xué)技術(shù)的關(guān)系比筆者想象的要緊密得多，而且今后還會(huì)進(jìn)一步融合。并且，融合所帶來的沖擊力非常巨大，甚至可以說具有破壞性。通過采訪，讓筆者更加相信兩者的融合將成為今后很多業(yè)務(wù)的收入來源。雖然目前市場(chǎng)尚未全面擴(kuò)大，但未來幾年之內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)幾百億日元規(guī)模的檢查技術(shù)。
工程師很容易理解DNA技術(shù)
說實(shí)話，筆者對(duì)生物學(xué)曾經(jīng)不以為然。說來慚愧，可能因?yàn)楣P者在高中的時(shí)候沒學(xué)好孟德爾定律，由此認(rèn)定生物學(xué)是一門非常復(fù)雜、需要死記硬背的科目。筆者的專業(yè)是物理學(xué)及其應(yīng)用，而不知為什么日本的生物學(xué)家中有不少人否定還原論，以及通過研究和實(shí)驗(yàn)增長(zhǎng)知識(shí)的科學(xué)觀，這也是筆者抵觸生物學(xué)的原因。
不過，國(guó)外有幾項(xiàng)生物技術(shù)，尤其是與DNA相關(guān)的研究，卻跟物理學(xué)和工學(xué)研究非常相似。筆者在學(xué)生時(shí)代讀過的、由發(fā)現(xiàn)DNA構(gòu)造的沃森(J.D.Watson)編著的《雙螺旋》是非常有趣的一本書。這既是一本非常棒的研究筆記，又能讓外行像讀最好的推理小說一樣津津有味地閱讀，可以體驗(yàn)到研究的驚險(xiǎn)和興奮。筆者完全沒有感覺到物理學(xué)、工程學(xué)與生物學(xué)的隔閡。
為撰寫報(bào)道，筆者大致了解了一些DNA的相關(guān)研究成果。通過學(xué)習(xí)，筆者還認(rèn)識(shí)到DNA及其作用其實(shí)就是將“生命的設(shè)計(jì)信息”翻譯成蛋白質(zhì)合成的一種信息通信技術(shù)。DNA也有相當(dāng)于通信編碼和糾錯(cuò)技術(shù)的機(jī)制。DNA分析技術(shù)則跟現(xiàn)有的通信技術(shù)相似。比如，首先放大微弱的信號(hào)，然后進(jìn)行分析。
進(jìn)步神速超過超級(jí)計(jì)算機(jī)
DNA分析技術(shù)的進(jìn)步史也跟計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體技術(shù)非常相似。比如，分析技術(shù)大幅提高了速度。解讀人類DNA中的30億個(gè)堿基對(duì)序列的“DNA測(cè)序”在1990年代之前大部分采用人海戰(zhàn)術(shù)。筆者有個(gè)從事DNA研究的大學(xué)同學(xué)就經(jīng)常抱怨連睡覺的時(shí)間都沒有。
而到了2000年代以后，分析程序的自動(dòng)化和并行化迅速發(fā)展，“分析速度2年提高了大約10倍”。那么10年就提高10萬倍。半導(dǎo)體技術(shù)在1年半～2年內(nèi)集成度和工作性能提高到了原來的2倍，超級(jí)計(jì)算機(jī)的速度2年提高了約4倍，10年提高了約1000倍，由此可見DNA分析技術(shù)的進(jìn)步有多快。在1990年代，解讀人類DNA所有堿基對(duì)需要幾年時(shí)間，而現(xiàn)在只需1～2天即可完成。
“實(shí)驗(yàn)室”內(nèi)的微細(xì)化跟半導(dǎo)體一樣
不過，直到幾年前，DNA分析技術(shù)大多還是化學(xué)方法?；瘜W(xué)的檢查技術(shù)不斷“微細(xì)化”，過去晃動(dòng)試管的工作已逐漸被整個(gè)實(shí)驗(yàn)室建立在芯片上的“芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-chip）”技術(shù)所取代，并且還推動(dòng)了DNA分析技術(shù)的巨大進(jìn)步。但是，即使解讀時(shí)間縮短，所使用的光分析裝置的小型化速度卻沒有能象分析時(shí)間那樣縮短得那么快。到現(xiàn)在，主要的分析裝置大多還有大衣柜那么大，能放到放在桌子上的儀器已算是非常小的了。
最近，電子技術(shù)終于走進(jìn)生物學(xué)領(lǐng)域，打破了以往的裝置常識(shí)，大幅減小了產(chǎn)品尺寸并提高了精度。比如，2012年英國(guó)OxfordNanoporeTechnologies公司推出的DNA分析裝置跟U盤差不多大，可拿在手里。
電子技術(shù)的參與是在化學(xué)技術(shù)的小型化之后才實(shí)現(xiàn)的。雖然晃動(dòng)試管的工作與電子技術(shù)沒有聯(lián)系，但芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)可以自然地理解為該工作要依托半導(dǎo)體芯片。順便一提，流感病毒直徑大約為100nm，剛好跟10年前的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)規(guī)則差不多。
生活的變化超過通信技術(shù)的進(jìn)步？
隨著DNA分析技術(shù)的進(jìn)步，還會(huì)出現(xiàn)一些讓人難以高興的事情，比如，可以了解自己未來的疾病及在孩子出生之前掌握孩子的遺傳信息。不過，DNA分析技術(shù)的進(jìn)步也確實(shí)對(duì)我們的生活提供了幫助。比如，不僅可以檢測(cè)出病毒及立即診斷出其他疾病，還能辨別藥效的不同。電子技術(shù)已開始用于檢查食品的種類、品牌及產(chǎn)地。不論好壞，這些DNA分析技術(shù)的進(jìn)步今后將極有可能大幅改變我們的生活。僅日本就有幾萬億日元的市場(chǎng)規(guī)模，也不算夸張。我們生活的改變程度或許會(huì)超過電話機(jī)變成手機(jī)和智能手機(jī)的沖擊力。
或許會(huì)有人反駁說，基本沒有實(shí)例證明DNA分析技術(shù)跟生活有關(guān)系。這樣說也不無道理。實(shí)際上，DNA分析技術(shù)過去可以說跟我們的生活根本沒有關(guān)系。直到最近，DNA分析大多還是以研究為主。
但是，這或許只是因?yàn)檫^去在技術(shù)上和成本上條件還不成熟。幾十天完成DNA測(cè)序是幾年前才實(shí)現(xiàn)的；而幾天完成DNA測(cè)序是2～3年前才實(shí)現(xiàn)的；而通過采用電子技術(shù)可將分析裝置拿在手里則是1年半前才實(shí)現(xiàn)的。十幾年前做一次DNA測(cè)序需要幾百億日元，而現(xiàn)在只需大約10萬日元，今后還會(huì)更便宜。將分析結(jié)果用于具體疾病診斷的認(rèn)識(shí)也在迅速普及。DNA分析技術(shù)的進(jìn)步速度非?？?，是其他技術(shù)無法比擬的，因此誰都難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其沖擊力。
另一方面，有廉價(jià)的技術(shù)出現(xiàn)，人們不可能不用。比如，只需對(duì)著智能手機(jī)吹氣即可診斷出病毒感染及癌癥等，當(dāng)場(chǎng)查看酒店的高級(jí)餐廳端上來的蝦的種類及產(chǎn)地等，以前只能認(rèn)為是科幻小說中的場(chǎng)景，在不久的將來就會(huì)實(shí)現(xiàn)。某位從事DNA分析的技術(shù)人員介紹說：“DNA檢測(cè)食品產(chǎn)地和品牌要比身份確認(rèn)等容易得多。”
半導(dǎo)體技術(shù)人員有很大的活躍余地
化學(xué)與電子之所以加速融合，主要是因?yàn)樵?jīng)的半導(dǎo)體技術(shù)人員很多參與到了DNA分析技術(shù)之中。美國(guó)生物技術(shù)廠商中，有不少風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)都在硅谷設(shè)立研究基地。日本技術(shù)人員中也有從量子計(jì)算機(jī)及攝像元件研究轉(zhuǎn)行做DNA分析的，以及到德國(guó)大學(xué)留學(xué)重新考取生物相關(guān)學(xué)位的。
他們?cè)谵D(zhuǎn)行時(shí)，也確實(shí)會(huì)因電子與生物技術(shù)的差異而感到過困擾。在德國(guó)大學(xué)留過學(xué)的一位技術(shù)人員說：“半導(dǎo)體技術(shù)和生物技術(shù)的技術(shù)用語不同，我花了很長(zhǎng)時(shí)間才習(xí)慣。”比如，“控制”在電子技術(shù)中用于表示控制，而在生物技術(shù)中則用來表示“做對(duì)照實(shí)驗(yàn)或與對(duì)照群進(jìn)行比較”。
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