DNA 指纹分析也有漏洞?科学家引入 DNA 条形码

来源: 生物通 / 作者: 2020-09-10
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1984 年,英国莱斯特大学的生物学家 Alec Jeffreys 绘制出世界上第一幅 “DNA 指纹”。自此,DNA 指纹分析就开始广泛应用于法医鉴定。由于广受欢迎,这项技术发展很快,如今已经变得更快速、更便宜,也更普及。

DNA 指纹分析是依靠 PCR 来扩增 DNA 样本中高度可变的位点,然后将扩增出的 DNA 酶切成片段,经琼脂糖凝胶电泳分离后转移至尼龙滤膜上,然后将带有标记的探针与 DNA 片段杂交,从而获得每个人特有的 DNA 指纹图谱。这种做法避免了全基因组测序,省时又省钱。

随着 DNA 指纹技术及背后的 PCR 技术的普及,许多公司都在争相简化过程,并开发出更便宜且自动化的解决方案。然而,随着人为干预的减少,破坏或篡改流程的可能性变得越来越大。这引发了前所未有的安全问题,被称为 “网络生物安全威胁”。

为此,美国杜克大学和纽约大学坦登工程学院的研究人员开发出一种新技术,能够将 DNA 条形码插入 DNA 指纹分析的样本中。这种方法可以帮助法医科学家确认样本是真实可靠的,未经过篡改。

杜克大学的 Mohamed Ibrahim 解释说:“我们的想法是在现场采集遗传样本后,立即将无害的材料注入样本中。这样可确保样本在进入处理阶段时是真实可靠的。”

研究人员首先生成了两条短的合成 DNA 序列(也就是条形码),长度分别为 280 bp 和 190 bp。这些序列是人工合成的,因此每条序列的每个位点都有四种选择。在序列如此长的情况下,正确猜对碱基组合的可能性几乎为零。

同时,他们还针对每条序列的起始部分和末端部分设计了特异性的 PCR 引物。这些引物将与 DNA 样本一起送到法医实验室。在 DNA 指纹分析的 PCR 过程中使用这些引物,可实现条形码的扩增,并在后续的分析结果中显示。

如上图所示,第一组泳道未显示条形码,因为没有加引物;第二组显示了条形码;第三组与第二组相匹配,表明样本是真实的;第四组与第二组不匹配,表明样本有问题。来源:杜克大学。

只要条形码按预期的方式出现,就可以确认样本为真实的。“在使用正确的引物来扩增条形码时,你就会得到阳性的结果。反之,则意味着样本不是真的。也许发生了某种调包或更改,”Ibrahim 解释说。

目前,这种保护措施的漏洞在于将匹配的引物运送到实验室,但研究小组已经在寻找更安全的方法。一种潜在的解决方案是将条形码与样本的某个方面相关联,然后再向技术人员透露可从现有数据库中选择哪些引物。

毫无疑问,未来将会发现更多的漏洞,但是随着研究人员的不断努力,相信类似 DNA 条形码的创新技术可以为 DNA 指纹分析加多一道防线,从而将真正的罪犯关进监狱。(生物通 薄荷)

原文检索

Ibrahim M, Liang T-C, Scott K, Chakrabarty K, Karri R. Molecular barcoding as a defense against benchtop biochemical attacks on DNA fingerprinting and information forensics. IEEE Trans. Inf. Forensics Secur. 15, 3595-3609 (2020).

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