Nature观点：防止危险DNA落入恐怖分子之手

——机器学习可以帮助避免制造危险生物体。

原文：https://www.nature.com/articles/d41586-019-00277-9

作者：Sara Reardom

世界各地的生物学家会付钱给公司，让它们合成DNA片段，供实验室或诊所使用。但多年来，情报专家和科学家们一直担心，生物恐怖分子可能劫持这些服务，制造危险的病毒和毒素——也许只需通过对基因序列进行微小改变，以逃避安全检查。

现在，美国政府在支持使用机器学习来检测DNA序列是否编码危险病原体部分而努力。设计这种基于人工智能筛选工具的研究人员开始取得进展，几个小组于1月31日在弗吉尼亚州阿灵顿举行的美国微生物学会(ASM)生物威胁会议上展示了初步成果。

他们的发现可能有助于更好地理解病原体是如何危害人体的，以及科学家将DNA序列与特定生物功能联系起来的新方法。

俄亥俄州哥伦布市巴特尔科技发展公司计算生物技术主管Omar Tabbaa说:“在过去，你把病原体锁起来，然后在它面前放上一支军队，你就没事了。”

但是Tabbaa说，DNA工程成本的降低和难度的降低已经改变了生物安全威胁的性质。任何想要特定DNA片段的人都可以用碱基来合成这串字母，每碱基合成只需一分钱（美元）。2006年的一项测试，英国《卫报》的记者向一家DNA合成公司支付费用，让其制造天花病毒的一部分，这促使人们呼吁采取更严格的筛查措施。

2009年，几家最大的DNA合成公司组成了一个联盟，以建立标准程序，检查客户提交的序列与已知病原体数据库的比对。如果自动筛选标记出一个序列，公司可以在合成DNA之前检查客户是否是合法的研究人员。但是这些现有的程序只挑选出与已知病原体完全匹配的部分序列。聪明的恐怖分子可以通过改变病毒或产生毒素基因的DNA中的几个碱基，甚至设计一种全新的病原体来愚弄这个系统。让问题更加复杂的是，数据库本身就经常充满错误。

有鉴于此，2016年，美国情报高级研究计划局(IARPA)启动了一项计划，旨在设计更好的算法，以发现潜在的威胁DNA序列。来自工业界和学术界的5个团队在这个项目中竞争，该项目的经理John Julias说。该机构拒绝透露该计划的预算。

图：危险的病原体被保存在高度安全的实验室里，但一些专家担心恐怖分子可能会找到获取这些微生物的新方法

到2020年，这些研究小组有望在不到两周的时间内开发出一种方法，来确定未知的序列是否构成威胁。位于夏洛茨维尔的弗吉尼亚大学的软件工程师Andrew Warren说，这将是一项艰巨的任务。“我们必须能够识别地球上的任何生物，以及它们的分子功能。”

沃伦的团队正在设计一个程序，对9万种微生物的4000万条序列记录进行比对。该算法学习识别已知毒素和病原体的DNA序列，识别它们的共同特征，然后在其他生物中搜索相似的序列。它已经可以可靠地预测一个序列来自哪一种类型的生物体，虽然Warren说，在ASM会议上展示的结果仍处于早期阶段。

Tabbaa的巴特尔研究小组正在开发一种类似的算法，使用来自公共和私有数据库的序列。Tabbaa说，该算法可以识别人们可能忽略的病原体之间的共性。这将有助于程序区分DNA序列的重要部分，以及那些可以在不影响病原体功能的情况下改变的部分。其目标是查明可能以未知顺序构成安全威胁的区域。

巴特尔研究小组希望，该项目还能揭示有关生物体基本生物学的新信息，比如毒素或病毒附着在细胞上的通用DNA序列。Tabbaa说，这些发现可以帮助研究人员开发快速诊断感染或改进生物制造的新方法。他表示:“我们认为，这将产生一系列的结果。”

但是，华盛顿西雅图风险投资公司Bioeconomy Capital的董事总经理罗布·卡尔森(Rob Carlson)对阻止DNA合成公司被利用是否能防止生物恐怖袭击持怀疑态度。他说:“如果你看看到目前为止发生了什么类型的生物威胁，你会发现上述情况一个也没有出现。”大多数攻击是释放实验室中生长的现有病原体；例如，2001年，美国有5人在收到含有炭疽病毒的信件后死亡，17人患病。

Carlson说，恐怖分子更有可能遵循已发表的研究，而不是着手设计新生物的研究项目。他担心任何政府调控DNA合成的努力都会将潜在的生物恐怖分子推向地下。