犯罪科學系列(四) : 從分子生物學的角度 談鑑識科學的未來—專訪 Karl Reich 博士

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生物科技發展蓬勃,對鑑識科學產生哪些影響?現今當紅的次世代定序(NGS)在鑑識科學裡又扮演什麼樣的角色?除了制度與資金的問題,又是什麼讓鑑識科學技術進展停滯不前?

美國知名鑑識科學家 Karl Reich 博士於今年五月初來台參訪。他在美國帶領一間獨立刑事鑑識科學實驗室,除了進行鑑識分析,也從事研發,其產品與服務已銷售至世界各地如歐洲、亞洲、美國及俄羅斯等。此次透過金萬林生技公司,基因線上很榮幸採訪到 Reich 博士,暢談分子生物在鑑識科學領域所扮演的角色、最新技術進展及挑戰。

推動鑑識技術發展的原因:生物科技與市場?

刑事 DNA 鑑識科學實驗室分成「血清學」和「分子生物學」。血清學是指分析人員分析犯罪現場採集到的 DNA 樣本來源,現存的四項檢測為血液、口水、精液及尿液。另一部份則以分子生物學為基礎,即 DNA 鑑定。現在的DNA 鑑定技術漸趨靈敏,即便是極微小的證物如單一指紋,都可從中取得 DNA 做分析。

然而在分析前,犯罪現場的採證是關鍵。刑事 DNA 跡證有兩種,一是布料上的髒污,一是棉棒。「我們不會把每樣物品都送到實驗室,假設犯罪現場發現一台筆電,鑑識人員會用棉棒採集鍵盤表面或邊緣的血跡,再把棉棒送到實驗室進一步轉化成有用的資訊。」Reich 博士提到相較於醫學、新藥等生物科技領域,鑑識科學技術進展緩慢。以美國為例,一般的鑑識科學實驗室都由各州政府管理,即便失敗也沒有損失,導致缺乏改變的動機。

再者,鑑識科學不像生技研發有資金挹注,因此鑑識科學實驗室如同生產線,不斷接受政府命令處理各種證據,而不會投入研發。Reich 博士的實驗室是少數投入研發的鑑識科學實驗室之一。「你想,這些實驗室員工薪水沒保障、也沒有擁有研究背景的實驗室主持人,更沒有政府資金補助,這些研究如何產出?其實是來自生物科技和市場。」他表示鑑識科學領域其實在 1997 年前並不存在;過了二十年後,以美國的基因資料庫全部約 1100 萬份的資料量,保守估計全球已進行超過一億份短重複序列 (STR) 檢驗。「有兩家公司囊括 95% 的鑑識檢測套件的製造,即 Applied Bio-systems  (現由 Thermo Fisher 所有) 和 Promega。透過他們每年的銷售額就能推估每年進行 STR 檢驗的數據量。」Reich 博士指出。

Dr. Karl Reich

樣本需求量太大 ?! NGS在鑑識科學的侷限   

此外,鑑識科學領域現今的主流趨勢是次世代定序 (NGS)。「目前刑事鑑定領域已擁有實用且效率高的系統,而它 (NGS) 並不會為鑑識科學現存系統帶來新的改變。」Reich 博士提到現在製造定序設備的公司正面臨市場短缺,因為學術研究已飽和,因此他們必須找到新的市場──鑑識科學。「一般情形沒有非要用 NGS 平台不可,因為太貴。但若是已嚴重破壞、風化的樣本如骨骸,DNA 斷裂情形嚴重、片段長度普遍短小,就需要比毛細管電泳更好的方式來放大 DNA 片段,這時就值得使用 NGS。」再者,他也認為當前的 NGS 技術對鑑識科學來說,仍不夠靈敏。如擊發後的彈殼,這類樣本沒有太多 DNA,而 NGS 可能需要 20 奈克的 DNA,這對鑑識科學所需的量來說已太多。目前 DNA 鑑識科學只需 0.5 奈克甚至更少就可得到一個人的完整 STR 圖譜。

軍用不一定適用  快速 DNA 有盲點

除了 NGS,幾年前是以快速 DNA (rapid DNA) 為趨勢。在鑑識領域中,常有人抱怨從採證到鑑定結果出爐所需的時間太長,因此快速 DNA 崛起。「當初流行快速 DNA,是因美軍想開發全自動一次性儀器,類似刑事鑑定版的現場即時照護 (point of care for forensic testing)。只需放入棉棒,按下按鈕,幾小時後結果就出爐。」美軍為此投入龐大資金,民間企業發現後也著手開發可與之競爭的技術,並鎖定執法單位為目標客群。不過,軍用儀器講求防彈、輕便、多功,但處理的樣本數有限,且費用不是考量。因為軍方只在意轟炸完目標後是否有炸到恐怖分子,所以一次所測之樣本數很少(甚至不到 50 個),與執法單位所需之便宜、可處理大量樣本剛好相反。再者,新儀器也必須和執法單位使用之現存實驗室系統整合。所以軍用規格之儀器既昂貴又不適合執法單位使用,「若真有執法單位購買該儀器,後來發現測的樣本少又貴(一台 20 萬美元,測一次 2 小時,成本 400 美元),最後只能閒置於實驗室中,相當可惜。」Reich 博士說。

《李承龍博士專訪》鑑識與生科的跨領域對話 真實 CSI 犯罪現場

鑑識科學未來兩大趨勢:刑事 DNA 鑑定和基因資料庫

目前全球各國都在建立刑事 DNA 鑑識服務和基因資料庫。「政府想知道誰曾被逮補?誰進出哪些國界、是否偷渡毒品等。有的國家已建立完善系統,如英、美、德、法等國;也有剛起步的國家如中東;也有和台灣類似,已建立系統但仍在改善中的國家。」Reich 博士說。對資料庫而言,規模是關鍵,越多人加入越有利。而目前鑑識領域使用的 STR 檢驗,像一組電話號碼,不包含如身高、髮色等生理特徵,很難只透過 DNA 獲得任何人的精確個體訊息。Reich 博士認為雖然該方法目前運作順利,也已累積許多 STR 的資料,但仍有待改善,不過當人們已習慣這樣的執行方式,改變將是一大挑戰。

STR 技術該如何發展?分子生物帶給鑑識科學的新挑戰

STR 檢驗技術從 2000 年前沿用至今,藉由擴大特定的基因範圍接著進行毛細管電泳。至於在法醫學、遺傳疾病診斷、基因連鎖分析等研究上扮演重要角色的全基因體放大法 (whole genome amplification,WGA),目前尚未成功開發出 STR 專用的 WGA。「因為在基因體中,體細胞染色體上共有兩組 STR 形成一對。在一個 DNA 樣本中,沒有一個 STR 存在的量是其他 STR 的 5 倍。所以用 WGA 放大 DNA 時,會產生失衡現象,即某些片段比其他片段更快速地被放大,產生讀取偏差。PCR 擴增技術也有同樣問題,且一旦樣本數更大,異常值會更明顯。」Reich 博士強調,科學家曾試圖探究導致每個 DNA 片段放大效果不同的原因,但仍遍尋未果,「有些人的 DNA 就是比其他人的 DNA 放大得更好,這是個很深奧的分子生物問題。」

另外,遺傳學在鑑識科學的應用除了 STR 外,其實也能使用 SNP 做鑑定。但Reich 博士提醒,若要達到統計效力就需要數百個 SNP,且要將 STR 換成 SNP,必須將現有的 STR 資料庫重新測試其中的每個樣本以取得 SNP,可行性太低。除非能證明兩者有重疊相同之處,「但在遺傳學上,不會每個 STR 都和特定的 SNP 相關,所以這是不可行的。若過去就知道現在所知道的知識,還會不會用同一種方法,真的很難講。但惟有不斷努力,才能更接近我們理想的境界 !」

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