如何检测人为的生物威胁

一种新的、高传播性的流感菌株出现了。一种抗杀虫剂的昆虫消灭了大片的农作物。一个病人在急诊室里发现了一种对任何现有抗生素都没有反应的细菌菌株。由于病原体或害虫之间的自然进化变化，这些情况都可能发生。但随着基因工程变得越来越便宜和容易，它们有一天可能是蓄意操纵的产物，对于这一点变得越来越有可能。

为了防范这些潜在的威胁，美国政府正在资助开发测试，以便在危险的生物工程生物体有机会造成重大伤害之前检测它们。这项工作是在2017年由美国国家情报总监办公室内的情报高级研究项目活动（或Iarpa）宣布的。在2022年10月份的直播更新中，Iarpa(情报高级研究项目活动)项目经理大卫·马科维茨宣布，在该计划下开发的两个平台在识别生物工程的存在方面都有70%的准确性。"马科维茨在新闻发布会上说："我们根本不知道一些政府的实验室会有什么样品进来，我们需要做好一切准备。"

其中一个平台是由位于美国马萨诸塞州坎布里奇市的非营利组织Draper创建的，它是一种快速的手持式检测设备，使用拇指甲大小的芯片来检测工程基因材料。另一个是由美国波士顿生物技术公司Ginkgo Bioworks开发的软件，它使用机器学习来识别从样本生物体产生的基因组数据中的工程。这些公司还没有在同行评议的杂志上发表他们的结果，他们的平台仍在开发中。

农作物和动物饲料已经被广泛筛选，以确定是否存在自然界中无法发现或通过传统育种创造的遗传特征。科学家们使用一种叫做PCR（聚合酶链式反应）的测试来确定生物工程DNA是否存在以及数量多少。当涉及到食品标签时，科学家通常知道他们在寻找什么基因变化。但是没有通用的工具来检测细菌、病毒或其他可能出现在任何情况下的生物体中的工程遗传物质。

到目前为止，检测生物工程的存在依赖于人工分析，这是劳动密集型的工作，而且分析的速度很慢。通过一个被称为测序的过程，研究人员可以生成一个生物体的整个遗传密码的读数：一系列As、Cs、Gs和Ts，或碱基，构成了生命的组成部分。每个微生物、植物、动物和人类都有这些字母的独特配置。

为了确定一个生物体的遗传密码是否被篡改，科学家需要知道它的基因组以及它的近亲的基因组通常是什么样子的。然后，他们可以搜索那些看起来不正常的区域。

DNA可以通过至少6个程序进行操作。一个传统的方法是将一个物种的基因添加到另一个物种中，这通常用于生物工程的作物。大块的DNA也可以从生物体基因组的一个部分移到另一个部分，这种变化称为易位。正在探索的Crispr基因编辑技术可以删除大块的DNA，作为治疗人类疾病和改善供人类食用的植物和动物的一种方式。旧的编辑技术，如锌指核酸酶和Talens，也被用于这些目的，但没有像Crispr那样成功。

这些过程中的任何一个都可能留下生物工程的特征。例如，科学家可以通过比较该生物体的基因组和参考样本来判断一个基因是否被添加或移动。当使用Crispr时，有时会在基因组的其他部分出现缺失，这些部分看起来像目标部分，但其实不是。Talens和锌指核酸酶也有产生这些 "脱靶 "效应的倾向。故意使用辐射也能产生可追踪的DNA突变。

Draper和Ginkgo的技术旨在检测这些常见的工程标志。Ginkgo的软件还依靠算法，将正在分析的基因组与一个巨大的数据库中的基因组进行比较，以确定它看起来像工程的还是自然的。德雷珀的设备是为了在现场对单个样本快速部署，而银杏的设备是为了对许多样本进行大规模分析。

Draper公司的首席科学家劳拉·希曼（Laura Seaman）在直播中说："基因工程已经发生了相当长的一段时间，而且它变得越来越容易做到，了解这些工具是如何被使用的，并在未知的情况下识别它们是很重要的。"

当Iarpa(情报高级研究项目活动)启动产生这些努力的Felix计划（Finding Engineering-Linked Indicators的缩写：寻找与工程相关的指标）时，该机构设定了一个雄心勃勃的目标，即开发在检测工程存在方面90%有效的技术。在这方面，Iarpa的获奖者有一些改进工作要做。

在Iarpa(情报高级研究项目活动)今年春天进行并在10月17日宣布的一项测试中，政府科学家对100个来自不同地方的工程生物和自然生物样本进行了技术评估，包括土壤、老鼠粪便和牛胃。其中有73个生物工程生物体的样本，其中许多是与其他没有经过工程的生物体混合。"马科维茨（Markowitz）说："我们试图使这些批次代表生物安全界每天面临的真实世界的挑战。"

据马科维茨（Markowitz）说，Draper和Ginkgo团队正确识别了70%的生物工程。Draper没有出现假阳性，而Ginkgo有一个结果，即检测到了生物工程，但实际上并不存在。这两个团队更大的问题是假阴性率，或者说在生物工程实际存在的情况下未能识别。首先，这些平台在包含非常细微的基因修改的样本上表现不佳，例如一个A或T被调换了。这些类型的修改可以通过一种相对较新的技术，即碱基编辑技术来完成，这种技术只对单个碱基字母进行修改，而不是像经典的Crispr编辑技术那样，切割整个基因或基因块。

这些平台也更难在具有大基因组的生物体样本中检测到工程的证据。生物体的基因组越大，工程人员需要更多的训练数据来获得一个统计模型，为了找到工程的特征，你需要筛选的数据就越多。

使该技术更加准确将需要一个更大、更多样化的数据集。我们周围的生物体的更多参考基因组。我们应该对周围的一切进行测序，监测那里的情况。这将帮助我们了解什么是正常的基线，这样，如果我们看到任何偏离这一点的情况，我们就可以把注意力集中在样品中最希望检测到的部分。

Iarpa(情报高级研究项目活动)没有公布该计划的其他四个参与者所开发的技术的性能数据。麻省理工学院和哈佛大学的Broad研究所、哈佛大学的Wyss研究所、Noblis和Raytheon一起参与了该项研究。

但是，即使这些平台的准确性有所提高，也很难知道它们是否能够检测到科学家们从未见过的全新的生物体。美国新泽西州立罗格斯大学的分子生物学家理查德·艾布莱特（Richard Ebright）对任何技术都能明确识别生物工程生物体持怀疑态度。他表示没有任何技术，没有任何技术能够全面而可靠地区分工程基因组序列和自然基因组序列，而且永远不会有。有太多的方法可以操纵基因组而不留下操纵的痕迹。

这包括十多年前开发的一种称为核酸无缝连接的技术，即Slice，它使用细菌酶来连接DNA片段。他说，较老的方法，如选择性繁殖或连续传递--在新的环境中重复生长病毒或细菌，也不太可能留下工程的痕迹。

美国约翰霍普金斯大学彭博公共卫生学院专注于生物安全的高级学者吉吉·格伦瓦尔（Gigi Gronvall）说，在确定一个生物威胁是否被设计时，新病原体的基因序列并不是唯一需要考虑的因素。如果怀疑有故意滥用的情况，那么将其归咎于某个特定的行为者将取决于许多证据。需要考虑的因素包括：新病原体在哪里出现，它最初感染了谁，以及它如何传播。能够识别这些表明生物工程的特征是很重要的，我希望我们能继续在这方面做得更好。但这永远不会是百分之百的情况。

当然，并非所有的工程生物体都是危险的。公司正在对细菌、病毒、植物、动物和人体细胞进行工程改造，其好处可能有助于治疗疾病或创造新的食物。生物工程检测可以帮助这些公司保护其知识产权。

但政府可能会成为该技术的主要用户。Iarpa已经向其他美国政府机构提供了这些平台。(他说："我不能说这些工具目前是如何被使用的，但我可以说，几个月来，这些工具已经被大量的国内和国际合作伙伴所掌握。"）

而且他证实，在新冠（Covid-19）大流行的早期，Iarpa(情报高级研究项目活动)利用Felix（寻找与工程相关的指标）计划的技术来确定SARS-CoV-2病毒不是生物工程的。SARS-CoV-2在实验室中被设计的想法后来被彻底否定了，但当时一些科学家曾质疑该病毒中被称为furin裂解位点的部分是否是工程的证据，因为该病毒的一些最接近的亲属没有这个特征。

格伦瓦尔(Gronvall)说，该理论之所以盛行，部分原因是科学家对冠状病毒的了解有限。事实证明，其他冠状病毒也有这些部位。"这似乎只是怀疑，直到我们看了更多的冠状病毒家族，并意识到我们的数量实在是太低了。她说："我们只对外面的东西进行了非常小的采样。现在我们的知识领域更大了，它不再那么不寻常了"。

最终，这些测试平台不仅可能检测出未来的工程生物威胁，而且有助于阻止实验室首先制造这些威胁。任何潜在的不良行为者，只要知道有快速检测他们试图做什么的工具存在，就可能会三思而后行。