九大新兴技术引领2006年

　　

编者按世界上每年都会涌现出很多新兴技术，2006年也不例外。与往年不同的是，今年的上榜名单涵盖的学科范围更广泛，包括生命科学、纳米技术以及互联网等技术领域。领域有所不同但有一个特点是相同的：那就是在不远的将来它们将对商业、医学甚至人类文化产生极为深远的影响。  

　　随着纳米技术的进步，纳米医学和纳米生物力学学科开始出现，这两门学科对人类了解和治疗疾病正在产生独特的作用；在生物学领域，表观遗传学的出现使人类开始了解化合物作用DNA的方式，而比较相互作用组学则为科学家模拟再现机体极端复杂性提供了一条光明之路。弥散张量成像技术作为最新的一种成像技术，是脑部成像领域最惊人的技术突破。与此同时，感知无线电通信技术和全球认证技术的出现则代表着人类在网络接入和网络安全方面所做的最新努力。  

　　通过绘制人体复杂的分子相互作用过程，提供发现药品的新方法。

比较相互作用组学  

　　近年来，生物医学的研究几乎都围绕各种“组学”进行，我们较为熟悉的有：基因组学、蛋白质组学、新陈代谢组学等等，而所有以上这些“组学”的起源被称为相互作用组学。每个细胞内，基因、RNA、代谢物与蛋白质之间存在着大量的相互作用，这些令人无法想象的复杂图谱，用系统生物学的术语来描述就是：相互作用组学。  

　　特雷·艾德克是加利福尼亚大学的分子生物技术专家，他和他的科学小组最近开始比较不同物种之间相互作用的“图谱”，也就是比较相互作用组学。艾德克认为：“尽管比较相互作用组学是‘组学’概念的一个延伸，但对生物系统来说却是收集和分析信息的一个重大进步。勾勒出所有细胞工作的图谱将是一种‘酷’感十足的工作。” 

　　实际上，科学家是不会单凭“酷”感进行工作的，艾德克与其他耕耘在相互作用组学领域的科学家希望他们的工作可以有助于发现新的药物并改善现存药品的功效。科学家认为，相互作用组学可以更加详细的了解药物的作用过程，甚至可以借助电脑模型测试药品的毒性以代替目前常规利用实验动物所作的测试研究。  

　　早在2001年，当艾德克还在西雅图系统生物学研究所攻读硕士时就与人联手发表了一篇论文。在《科学》杂志发表的这篇论文中，艾德克以不可思议的细致程度描述了酵母菌利用蔗糖的过程，他们通过一张如同电路般的图谱展示了所有涉及的基因组、蛋白质与蛋白质间的交互作用以及系统受到干扰后生化路径所发生的各种变化，这项研究成果在学术界引起了巨大轰动。  

　　去年11月，艾德克的工作组开始把酵母、果蝇、线虫与疟原虫等所有可用的蛋白与蛋白之间的交互作用组学集成到一个数据库中。尽管比较不同物种之间的蛋白质并没有特别新奇之处，但像艾德克这样，探索不同物种之间蛋白质与蛋白质之间相互作用异同的研究工作却并不多见。根据艾德克的研究，酵母、苍蝇与蠕虫的蛋白复合物相互作用存在一定程度的相似之处。这意味着相互作用组学极有可能在不同物种之间发挥至关重要的作用。尽管疟原虫与蠕虫或苍蝇没有相同的蛋白复合物，与酵母则只有三个相似的蛋白复合物，但科学家认为疟原虫可能存在不同的相互作用组学原理。  

　　这些研究对于制药商而言，其独特生物路径的发现，比如那些在疟原虫中所发现的路径，意味着新的药品开发目标。从理论上来讲，如果一种药物能够阻断这种生物路径就可以使人体细胞内相互作用图谱发生变化，达到治疗的目的，与此同时，还可以大大降低药物所产生的毒副作用，这将是药物开发的一个重大突破。  

　　科学家设计出的能将药物直接导入癌细胞的纳米粒子，会使癌症的治疗变得非常安全。

纳米医学  

　　一种无色液体被注入病人体内后，液体中所含有的特殊粒子可以穿透血管壁直接进入癌细胞，使癌细胞误认为这是它们的美味佳肴，这些粒子进入癌细胞后立刻就把癌细胞进行“染色”，从而被区分出来，引导治癌药物摧毁癌细胞。  

　　这种由密歇根大学的物理学家詹姆斯·贝克所研制出的多用途纳米粒子将会在今年晚些时候投入临床实验，这些纳米粒子将彻底改变人类诊断和治疗疾病的方式。更有意义的是，这些粒子不仅对癌症的诊断和治疗有理想的效果，而且可以运用于任何疾病的诊断和治疗。贝克认为：纳米技术所创造的精密分子手段使“找到肿瘤细胞或炎症细胞”并能“直接进入和改变它们成为可能”。2005年的实验结果表明，贝克所设计的纳米粒子能够延缓甚至杀死体内增生的肿瘤细胞，比传统的化学疗法更为有效。  

　　贝克取得进展的核心是一种叫做树枝状聚合物的高度分岔分子，每个树枝状聚合物的表面都有百余个分子“挂钩”，科学家们将其中的五到六个“挂钩”与叶酸分子相连。由于叶酸是一种维生素，人体内大量细胞表面的蛋白质都需要这种物质，而癌细胞比普通的细胞拥有更多的叶酸“接受器”，科学家将抗癌药物“连接”到树枝状聚合物其他的分枝上，当癌细胞吸收叶酸的同时，它们同时也摄取了让其致命的药物。  

　　这几乎是一个万能的方法，当科学家们将树枝状聚合物挂满对MRI扫描敏感的分子时，就可以通过这种方法来发现癌瘤的位置。同时还可以将不同目标使命的分子和药物分别“钩”在树枝状聚合物上来治疗各种肿瘤。贝克计划在今年开始人体实验，用于子宫癌、脑癌或颈椎癌的治疗。  

　　贝克已经开始着手于研制一个标准组件系统。在该系统中，树枝状聚合物“装备”不同的药物、成像剂和抗癌识别分子，这些树枝状聚合物将能够像拉链一样聚合在一起。最终，医生将有可能制造出个性化的纳米医药合成物，而这个过程就像药店里的医生将不同药瓶里的药片放在一起那么简单。  

　　测量作用在细胞上的微小力量，就可增加对疾病的新理解。  

　　纳米生物力学  

　　许多人都认为人体不是机器，但是萨布拉·苏尔什却不这么认为。麻省理工的材料学家苏尔什测量了作用在我们细胞上的微小机械力。  

　　很早以前医学研究人员就知道疾病能导致人体细胞发生物理变化，而细胞的物理变化又可以反过来导致疾病。观察到皮克牛顿（牛顿的万亿分之一）大小的力对细胞的影响可以让研究人员能够更好地观察病患细胞与健康细胞的不同。  

　　苏尔什花费了大量工作时间制作纳米刻度的度量工具，自2003年以来，苏尔什的实验室将越来越多的时间致力于将纳米测量技术运用于活细胞上。  

　　苏尔什最近的一项研究是测量健康血红细胞与被疟疾寄生虫感染的细胞在力学上的不同。苏尔什的结果表明：被感染的血细胞变得更加坚硬，失去了宽度从8微米缩减到2或3微米的能力，因而导致其不能通过毛细血管。另外，被感染的细胞还能堵塞毛细血管从而导致脑出血。当利用光学镊（一种高度聚焦的激光）对连接在细胞上的物体施加压力时，他们发现被疟疾感染的血细胞比健康的细胞要坚硬10倍。  

　　纳米生物力学还处于孩提阶段，苏尔什不认为对人体细胞的力学研究目前能够使治疗更加有效，但令这一领域的其他科学家们欣喜的是他们已经能够以史无前例的准确度来测量细胞的特征。 

　　“我们知道力学在疾病中有发挥作用的余地。”苏尔什说：“我们希望它将能够被应用于治疗。”如果真是如此，纳米测量的微小领域将对未来的医学产生深远的影响。  

　　一种新的能够了解精神分裂症的脑部成像技术。  

　　扩散张量成像技术  

　　埋头于一大堆脑部扫描相片之中时，神经科专门医师或精神病学家们很难分辨出哪张是属于精神分裂症患者的。尽管精神分裂症患者在精神方面存在严重的问题，但他们的大脑与正常人的大脑依旧基本相同。在20世纪90年代初，美国明尼苏达州医科大学的神经系统科学家与精神病学家凯尔文·林开始运用MRI脑部成像技术研究患有精神分裂症的大脑，这个工作让他着了迷。林发现存在细微的线索可判断出脑部结构出了问题，但要理解这些问题是如何导致精神分裂症的奇怪症状，他仍需要更进一步的观察病人的神经解剖图，而这远非标准的扫描仪所能办到的。在1996年，他从一个同事那里获知，扩散张量成像技术（DTI），一种新发明的MRI的变体扫描仪，可以让科学家们首次研究不同脑部区域的联系。  

　　在DTI的帮助下，研究人员首次可以观察连接不同脑区的复杂神经元。在DTI里面，放射线学家利用特殊的无线频率与梯度扫描磁场脉冲来跟踪大脑内水分子的运动。在许多大脑组织中，水分子在各个方向上扩散，但它们都倾向沿神经轴突扩散，这些轴突被覆白色脂肪状的髓磷脂，将水分子保存在里面。科学家可通过分析水分子扩散方向来绘制出轴突的图片。  

　　林将这一技术进一步推广，并将之与其他领域的发现相结合，例如，遗传学，以揭示出神经系统紊乱的谜题。他与其他的科学家也在进一步改进DTI，以使之可以更细致地观察大脑的微观结构。

　　通过测量细胞DNA细微变化可以较早发现癌症。  

　　表观遗传学  

　　仅仅知道人类基因图谱还远远不能解释基因的作用机制，科学家还需要确定体内超过20000个基因在特定时间里哪些是活跃的。化学修饰可以改变蛋白质制造过程、关闭基因或者使染色体不能展开，这些化学作用机理就构成了表观遗传学。  

　　在过去的5年间，研究人员发明了第一个识别表观遗传学交互作用的实用工具，德国生物化学家亚历山大·奥莱克就是这个领域的一个开拓者。1998年，奥莱克在柏林创建了埃皮基诺米克斯公司，以研究一种快速灵敏的方法来测试基因甲基化———一种由癌症所导致的DNA修饰。这种方法不仅可以诊断病人是否患有癌症，而且还可以诊断癌症的严重程度以及对某一特定治疗方案的反应。  

　　甲基化过程使胞嘧啶增加了4个原子，一般情况下机体运用甲基化控制基因的开启与关闭，多余的原子能够阻塞转录基因的蛋白质。但当机体出现某种错误时，甲基化会压抑控制细胞正常生长的基因而使细胞的生长不受控制导致细胞癌化，基因自然甲基化的消失也将使一种在特殊组织中处于“关闭”状态的基因变得格外的活跃，从而导致癌细胞的滋生。  

　　在自然状态下甲基化基因很难被识别出来，而奥莱克称自己已经研制出一种方法，可以探知只有3皮克的甲基化DNA，也就是说就算组织样本里只有3个癌细胞，也能发现它们。  

　　为了研究出用于相关癌症的实用诊断测试，埃皮基诺米克斯公司比较了上千种癌变细胞与健康细胞的基因，以鉴别与病症相关的一个或多个基因的甲基化变化，最终使测试仅检查相关基因的甲基化状态。  
　　奥莱克相信表观遗传学也将有助于解释人的生活方式是如何影响人的衰老过程的。比如，它可能揭示出为何有些人更易于患上糖尿病或心脏病。他的目标是绘制出一幅人类表观基因图谱以全面识别人类基因中可能发生的表观基因的变化。  

　　一种更符合伦理道德的干细胞来源，彻底解决干细胞的争论。  

　　细胞核重组  

　　在现代科学研究中，没有什么比干细胞研究的争议更大了。美国俄勒冈波特兰医科大学干细胞研究中心的科学家马科斯·格朗普正在试图找到一条绕开争议的路：制造出拥有胚胎干细胞所有特征的克隆细胞———但并非来自胚胎。一般情况下，科学家们将一个成年体细胞的基因移植到去核卵细胞中，通过卵细胞的蛋白质重组体细胞的DNA，创造出与其成年体细胞相同基因的胚胎。格朗普认为通过迫使捐献细胞产生一种叫做nanog的蛋白质，这是一种胚胎干细胞中常见的蛋白质，就可以通过改变重组过程使之不成为胚胎，相反，它将产生一种具有许多胚胎干细胞特征的细胞。  

　　格朗普的工作是寻找到一些可供选择的方法创造出具有胚胎干细胞多种特征的细胞。与此同时，研究人员也在尝试各种在不伤害胚胎存活的前提下提取干细胞的方法。  

　　格朗普的进展使得这一伦理道德难题有可能在未来获得解决。如果该研究奏效，将不会有胚胎的产生，也就不会存在对潜在生命的危害。正因为如此，一些保守的伦理学家开始向格朗普签发“许可证书”。  

　　尽管这是否是一个获取胚胎干细胞的可靠途径仍让人抱有疑问，但格朗普所进行的试验可以解释用重组细胞去获取干细胞具有科学价值。  

　　许多生物学家与生物伦理学家对于这一努力抱有复杂的感情。在认同这一研究的重要性的同时，他们担忧这种折中的干细胞培育方法将减少公众对胚胎干细胞研究的基金资助，进而阻碍基因解码工作和治愈绝症病人的努力，将导致人类犯更大的道德错误。  

　　为了避免未来的无线通信“交通堵车”，科学家正在开发新方法使无线通信频率得到充分利用。

感知的无线电通信技术  

　　越来越多的人开始养成边喝咖啡边上网的习惯，他们使用笔记本电脑一边悠闲地品尝着咖啡，一边利用咖啡屋提供的无线网络进行网上冲浪。然而随着越来越多的人使用这种无线方式上网，网络也开始变得拥挤不堪。  

　　由于网络不断出现拥堵，科学家们开始研究能使无线设备更加有效地利用广播频道的方法。他们认为造成网络拥堵并不在于无线电通信波谱的缺乏而是波谱的利用方式。美国通信委员会与世界各地的相应的相关部门以不同宽度的细条频率分配无线电波谱。一个波段覆盖AM广播，另一个则是VHF电视，其他的则覆盖手机、市民广播、呼机等。如今，由于无线设备的不断增生扩张，已经没有留下多大的余地可以分配了。但是就像所有曾经使用过收音机的人都知道的那样，并非每个信道的每个频段总在使用中。事实上，连FCC（美国通信委员会）也承认，一天中某些时段，某些地区，70%%分配的波谱并未被使用。  

　　科学家们认为可感知的无线电通信设备就可以解决这一问题。可感知的无线电通信设备是一种可以分辨出哪个频率是闲置的仪器，它能迅速选出其中的一个或多个空闲频率进行数据的发送与接收。然而，尽管如此，如果没有周密的计划安排，某些波段也有可能最终变得拥挤不堪。对此，科学家的答案是让可感知的无线电通信设备可以与临近的其他设备进行“磋商”。设想的方案中，FCC设置的波段所有者拥有优先权，但其他的设备可以在它们之间分享未用的部分。  

　　但是设备间的“协商”同样需要占用波段，科学家们又开始对这一进程进行简化。每个设备没必要辨别出它的邻居正在做什么，只需要观察它们是否在传输数据，就可以迅速做出决定。  

　　尽管这套方案尚处于论证阶段，但英特尔已经开始计划设计一种芯片可以分析计算机所处的外部环境以选择最佳的数字传输频率，而FCC也已经特殊允许在空闲的电视频率进行类似的实验，专家们认为，当空中的信号变得越来越拥挤时，所有的设备就必须采取更有效的方式共享频率。  

　　通过教会硅片新戏法，我们所使用的电子产品将出现革命性进展。可伸展硅片  

　　目前，大多数的电路都刻制在坚硬的芯片上，然而，一种薄且柔韧得可以像报纸一样卷起来的芯片已经出现。“智能”信用卡已经开始采用柔性微芯片，富士通、朗讯科技、E－Ink等公司也在研发“电子报纸”，这种电子报纸外观轻薄，就像普通的报纸一样。  

　　现在大多数可伸展性芯片是由有机半导体喷涂或粘在塑料片上制成的。尽管这种方法可以形成卷起来的外观，然而对于高强度的计算任务而言，有机半导体还是太慢了。要完成这些任务，我们仍需要硅或者其他高速的无机半导体。因而，伊利诺斯州立大学的材料学家约翰·罗杰斯发明了一种能使硅片伸展的方法。  

　　罗杰斯认为，如果柔韧是个优点的话，可伸展性就是个更出色的优点了，尤其是对那种高性能的所谓“智能衣”之需要的电路而言。“当你穿着一大片塑料时是不会舒服的。”他说。由罗杰斯的可伸展性硅片制成的电路有着广泛的应用前景。它可以用在外科医生的手套上，制造出一种可以读出血液中化学水平的传感器，这样就可以提醒外科医生以避免问题的发生。它还可以让修复的肢体在压力与温度的指示下改变它的形状。  

　　罗杰斯的发现尤为引人注目的是他对于单晶硅片的研究，这是一种用于微处理器中的硅片。和任何一种单晶体一样，单晶硅片不是天生就具有伸展性。事实上，为了让它能弯曲，必须在一个柔性的表面上把它做成超薄的一片，大概只有几百微米那么厚。罗杰斯开发出了具备柔韧性的薄硅片，他并没有把它粘在塑料上，而是把它做成一些细条粘在一片可伸展的、如橡胶般的聚合体上。当可伸展的聚合体迅速恢复原状时，硅片细条便随之弯曲但不折断，形成下次还可以伸展开的“波”。  

　　罗杰斯希望能够通过对细条的几何学研究，制造出可以像T恤衫一样折叠起来的柔韧设备。这种回复力将使硅片在电子产品中的用武之地越来越大。  

　　保护网络隐私，构建一个更安全可靠的互联网。  

　　全球认证技术  

　　如今网上身份认证系统的“军阀割据”是引发因特网诈骗与安全危机的主要原因之一。俄亥俄州立大学的高级系统开发人员斯科特·坎特认为这一问题的解决方案在于网络认证系统。这种认证系统允许用户在登录一次后能够安全地从一个网站跳转到另一个网站。这样的系统可以保护用户的隐私、网上交易以及其他提供网络服务的机构。坎特领导了“口令”系统的技术开发。“口令”是一种大学与研究机构使用的开放标准的认证系统。  

　　“口令”不仅扮演了认证系统的角色而且也充当了隐私权的守护者。拿一个在俄亥俄州就读的学生想要进入布朗网上图书馆为例。在这之前，俄亥俄州安全地保存了她的身份信息———名字，年龄，所属学校等等。她进入她的用户ID并在俄亥俄州网站的网页上输入密码。但当她点击进入布朗图书馆时，“口令”开始发挥作用。它只把布朗图书馆所需要知道的身份信息传输过去：用户是注册过的俄亥俄州学生。  

　　美国的一些学校从2003年开始使用“口令”，在2005年该系统开始被大面积的采用。现在世界500多家网站都在使用“口令”，其中包括澳大利亚、比利时、英格兰、芬兰、丹麦、德国、瑞士与荷兰所属的教育系统。  

　　目前，这一系统也开始在私营部门使用。坎特已经与自由联盟建立了合作关系。自由联盟是150多家公司与机构所组成的联盟，共同致力于创建共享的身份认证系统。在坎特的帮助下，这一联盟（包括AOL、美国银行、IBM、忠实投资）将其认证系统的设计基于共同标准SAML。