深刻改變生活的生命科學與生物技術

當今世界，科技發展日新月異，創新速度明顯加快，顛覆性技術不斷湧現，技術更替和成果轉化周期日益縮短，產業形態發生深度調整。生命科學、生物技術與信息技術等交叉融合正在引發新一輪科技革命和產業變革，從而更加深刻地改變著人們的生產生活方式乃至思維方式和認知模式。

2015年，生命科學領域取得多項突破，並向轉化研究推進；技術持續更新，逐漸向高精度、高效率、高通量，以及動態、大規模發展。學科的匯聚、技術的推動，生命科學研究不斷向縱深推進，健康與疾病發生機制研究的視角不斷豐富，疾病防治手段更加多樣化，改造、合成、仿生、再生研究的深度和廣度不斷拓展。Nature、Science、Nature Methods、MIT Technology Review、Scientific American等刊物也對2015年度的生命科學和生物醫學突破進行了評選，並預測了未來值得關注的科學進步和創新性技術。

重大研究進展

2015年，合成生物學的應用範圍不斷拓寬，進入應用導向的轉化研究階段；腦科學基礎研究產出系列成果，類腦研究與人工智慧開始出現突破；幹細胞與再生醫學領域持續穩步發展，應用轉化進程進一步推進；微生物組研究快速發展，相關領域科學家呼籲啟動全球微生物組計劃；另外，疫苗研究獲得多項突破，為更多傳染性疾病的預防帶來希望；免疫療法快速發展，為癌症、多發性硬化症和艾滋病等重大疾病治療帶來新希望。科研進展的同時，生命科學領域的技術也不斷革新。基因組編輯技術持續更新，使用範圍進一步擴大，其較為成熟的技術也逐漸推向臨床，與此同時，其涉及的倫理問題也引起廣泛關注；成像技術發展逐漸趨向高解析度、動態、多重成像；光遺傳學技術也向精準、高效發展；單細胞分析技術以及測序技術也逐漸向高精度、高效率、大規模、高通量分析發展。

合成生物學應用範圍不斷拓寬，進入應用導向的轉化研究階段

合成生物學逐步從基礎前沿的探索階段進入應用導向的轉化研究階段。美國斯坦福大學的研究人員通過對酵母進行「編程」實現了從葡萄糖到阿片類藥物嗎啡的完整生物合成路徑，這是繼青蒿素生物合成後的又一里程碑事件，該成果入選2015年Science十大科學突破。

以臨床應用為導向的研究廣獲聚焦，美國伊利諾伊大學與西北大學的研究人員發現一種在細胞內產生蛋白質和酶的人工核糖體]可用於生產新型藥物和下一代生物材料；美國加州理工學院研製出世界首個由蛋白質和DNA構成的合成結構生物材料，為藥物的精準傳遞與釋放控制打開了大門；瑞士蘇黎世理工學院發現合成細胞因子轉換器細胞可針對銀屑病、類風濕性關節炎等慢性炎症，選擇性地檢測相關疾病的生物標誌物，釋放細胞因子抑制炎症，從而達到精準治療的目的。

同時，出於對合成生物危害性的考慮與轉基因生物的防控，科研人員開發新方法預防基因工程細菌製造「禍端」，或按照美國哈佛大學與耶魯大學的做法，使其需要合成特殊氨基酸才能生產其必需的蛋白質；或採取美國麻省理工學院的方案，將「死亡開關」添加到轉基因生物的基因通路當中。

腦科學基礎取得系列突破，類腦研究與人工智慧成果初現

在政策的強力支持和推動下，腦科學研究開始產出系列成果。美國弗吉尼亞大學醫學院首次發現了大腦中存在淋巴管，可直接與外周免疫系統連接產生免疫反應，顛覆了過去認為大腦是免疫豁免器官的概念，該成果入選2015年Science十大科學突破。美國貝勒醫學院繪製了迄今最為詳盡的大腦連接圖譜，完成近2000個成體小鼠視覺皮層神經元的形態和電生理特徵，描述了超過11000對細胞間連接。美國NIH與北卡羅來納大學醫學院開發的新型化學遺傳學（chemogenetic）技術通過啟動和關閉神經元，揭示控制小鼠行為的大腦迴路；美國哈佛大學、波士頓大學醫學院和麻省理工學院建立了神經元高精度成像和分析系統，首次構建了哺乳動物大腦新皮層數字立體超微結構圖；美國哈佛大學開發了軟性大腦電子探針，並植入活鼠體內證明了其安全性。

美國加州大學聖塔芭芭拉分校首次僅用憶阻器創建出神經網路晶元；美國IBM進一步利用TrueNorth晶元構建了人工小型嚙齒動物大腦；瑞士洛桑聯邦理工學院成功構建大鼠軀體感覺皮層部分神經迴路的數字模型。這一系列進展推動了類腦計算的發展，邁出數字化大腦道路上的重要步伐。

超出程序設定的智能行為是通向人工智慧之路的標誌性一步。谷歌、Facebook等公司正在推進機器深度學習技術，並開始商業化。5月面世的谷歌照片APP，可以更抽象的水平識別圖片中的元素，進而從數百萬張照片中識別不同臉孔；DeepMind公司已利用深度學習技術研發了一個能夠自學視頻遊戲的計算機軟體，可在遊戲進行到一半時，擊敗多數專業玩家。

幹細胞與再生醫學研究穩步發展，應用轉化進程進一步推進

幹細胞與再生醫學領域持續穩步發展，應用轉化進程進一步推進。基礎研究方面，英國劍橋大學與以色列魏茨曼科學研究院的科研人員將胚胎幹細胞成功「逆轉」為原始生殖細胞，首次將細胞重編程至如此早期的階段，該成果入選Cell評選的十佳論文；北京大學研究人員進一步闡明化學小分子重編程技術的分子機理，為化學誘導方法更加廣泛地應用於體細胞重編程和再生醫學奠定了基礎，該成果入選Cell評選的中國年度論文。2015年，澳大利亞墨爾本大學與昆士蘭大學聯合荷蘭萊頓大學、美國加州大學伯克利分校聯合格拉德斯通心血管疾病研究所、美國密歇根大學與加州大學聯合辛辛那提兒童醫院醫療中心等機構分別成功構建了腎臟、心室和肺，由幹細胞構建的微器官類型已達十幾種。產業化方面，歐洲在2015年批准了首個幹細胞治療產品Holoclar，用於治療因眼部灼傷導致的中度至重度角膜緣幹細胞缺乏症，邁出了幹細胞產業發展的第一步。

微生物組研究快速發展，呼籲啟動微生物組計劃

微生物在健康、環境、農業和工業等領域的應用潛力巨大，於2010年啟動的地球微生物組計劃（Earth Microbiome Project），旨在分析全球微生物群落，預期將在2016年獲得其首批研究成果。

始於2007年底，美、英、法、中、日等多個國家參與的人類微生物組計劃不斷推進，促進了腸道微生物與人類健康的研究。目前，全球正在醞釀微生物組計劃。2015年美國國家科學技術委員會（NSTC）發布了微生物組研究評估報告；10月，美國科學家在Science上發文倡議美國開展聯合微生物組計劃（Unified Microbiome Initiative，UMI）；與此同時，德國、中國和美國科學家在Nature上發文呼籲建立國際微生物組研究計劃。

疫苗研究獲得多項突破，為更多傳染性疾病的預防帶來希望

2015年，疫苗研究獲得一系列成功，為傳染性疾病的預防帶來希望。世界衛生組織領導的臨床研究中，埃博拉疫苗rVSV-ZEBOV終於獲得成功，其有效性可達75-100%；通過近30年的醞釀，全球首支瘧疾疫苗邁出重要一步，在非洲兒童臨床試驗中可降低30%的發病率，預計最早於2017年實現商業化；12月，墨西哥批准了全球首支登革熱疫苗Dengvixia，此疫苗有效性雖僅60%，但可有效預防已感染登革熱病患再度感染其他病毒株，該疫苗生產商法國賽諾菲公司將進一步向其他國家申請上市批准。除一系列新疫苗研製獲得成功外，脊髓灰質炎疫苗使奈及利亞首次整年未出現新發脊髓灰質炎病毒感染，為全球消滅脊髓灰質炎奠定了基礎。

免疫療法快速發展，為重大疾病治療帶來機遇

隨著人類免疫系統和疾病發生機制認識的深入，免疫療法成為防控許多重大疾病的重要手段。自2013年癌症免疫療法入選Science十大突破以來，領域研發熱度持續不減，被視為癌症、多發性硬化症和艾滋病等疾病治療的新機遇。2016年美國國情咨文中提出了癌症登月計劃，其中的重點之一就是癌症免疫療法的開發。多種癌症被驗證可利用免疫療法進行治療，而治療癌症的抗體藥物特別是靶向程序性死亡受體-1（PD-1）及其配體-1（PD-L1）的抗體藥物，成為國際醫藥巨頭競相布局的焦點。

技術進步

基因組編輯技術不斷革新，進一步推向臨床

以CRISPR為代表的基因組編輯技術仍然是2015年最受關注的技術領域，CRISPR技術「史無前例」二次登上Science評選的年度十大突破，且位居榜首。2015年，美國麻省理工學院圍繞CRISPR/Cas系統的脫靶問題進行改進和完善，並通過與其他先進技術的結合擴大其應用，此外，美國斯坦福大學醫學院設計的缺陷基因功能性拷貝插入患者基因組中的新方法可能會超越CRISPR/Cas系統，成為基因組編輯新技術。另外，美國加州大學伯克利分校利用CRISPR/Cas系統實現RNA的精確切割進一步擴展了其應用範圍。另外，美國麻省理工學院基於CRISPR技術發明了DNAi，能夠迫使轉基因大腸桿菌剪除其修改過的基因片段，防止基因片段逃逸而污染環境。基因組編輯技術有望成為生命科學研究的通用技術。

2015年基因組編輯技術開始應用於人類疾病治療的臨床試驗。研究人員一次性編輯了豬胚胎基因組中的62個位點，給異種器官移植帶來希望；基因組編輯技術初創公司Editas Medicine獲得谷歌等1.2億美元的資助，計劃到2017年將CRISPR技術用於臨床試驗，以矯正視力受損患者體內的某個基因突變；英國研究人員利用TALEN技術編輯人類免疫細胞的基因組，用於治療患白血病的兒童；2015年底，Sangamo BioSciences生物科技公司宣布，2016年將開展利用ZFN技術修正導致血友病基因缺陷的人體試驗。

基因組編輯技術的發展隨之帶來的安全隱患和道德倫理挑戰也成為公眾關注的焦點。2015年，修飾物種（如蚊子等）基因，以減少其數量或減少其攜帶病毒所導致疾病，以及中山大學首次利用CRISPR/Cas技術改造了人類胚胎基因組，引發全球熱議。12月，美、英、中共同舉辦人類基因編輯國際峰會，全球專家對基因編輯技術所帶來的基礎研究變革、潛在應用，以及由此引發的社會問題、政府監管及法律問題進行了探討，認為現階段應禁止對人類胚胎和生殖細胞進行基因組編輯。

成像技術發展趨向高解析度、動態、多重成像

成像技術同樣備受關注，單粒子低溫電子顯微鏡（cryo-EM）在2015年突破了3埃（?）的解析度障礙，已經逐漸成為一種主流結構生物學技術，該技術被評為2015年Nature Methods評選的年度技術，這也是成像技術連續第二年入選。另外，美國普渡大學大大提高了體內振動光譜成像技術收集圖片的速度，會在光子進入組織前對其進行顏色編碼；霍華德休斯醫學研究所開發的新型顯微鏡，可更加清晰、全面的觀察活體動物的動態生物過程；美國勞倫斯伯克利國家實驗室開發的SR-STORM顯微鏡，可通過真彩超高解析度顯微成像獲得每個標籤分子的光譜和位置信息，實現了多靶標成像。Nature Methods認為，全新的特異性蛋白標記及活細胞多重成像技術是2016年值得關注的技術。

光遺傳學技術向精準、高效發展

光遺傳學技術已在單細胞解析度水平上實現了對神經元的高效操控，從而為實現神經微解剖走出了第一步。英國倫敦大學結合基因組編輯技術與光遺傳學技術操控神經細胞，可將更小的子光束選擇性靶向單個腦細胞；美國德州大學醫學院在海藻中發現首個光控負離子通道，能更快地抑制神經元活動，是目前最高效的光遺傳蛋白。

單細胞分析技術逐漸實現高精度、大規模分析

單細胞分析技術在2015年獲得重大飛躍，美國哈佛大學、麻省理工學院及麻省理工學院-哈佛大學布羅德研究所等機構將單細胞測序並行檢測的細胞數量從100增加到幾千。此外，美國德克薩斯大學研發的單細胞外顯子組測序法（SNES），英國桑格研究所與牛津大學、劍橋大學等機構合作研究的基因組轉錄組並行測序技術（G&T Seq），美國細胞研究（Cellular Research）公司開發的基因表達流式細胞測序技術（CytoSeq），中國華中農業大學與美國明尼蘇達大學聯合推出的單孢子測序技術，使單細胞組學能夠展開大規模、高精度的分析。

測序技術的精度、效率進一步提高

測序技術方面，美國國家標準與技術研究院提出的石墨單分子層孔道DNA測序法實現了高速度、高精度與高效率；與此同時，瑞士洛桑聯邦理工學院通過減緩測序中DNA流速將測序精度提高了1000倍，自此單分子實時測序技術（SMRT）不僅能夠高效助力多個植物和動物基因組的研究，而且具備更加精準的特性。

本文摘編自科學技術部社會發展科技司，中國生物技術發展中心編著《2016中國生命科學與生物技術發展報告》第一章，內容有刪減。

2016中國生命科學與生物技術發展報告

科學技術部社會發展科技司，中國生物技術發展中心編 著

北京：科學出版社，2016.11

ISBN 978-7-03-050774-7

《2016 中國生命科學與生物技術發展報告》總結了 2015 年我國生命科學基礎研究、生物技術應用和生物產業發展的主要進展情況，重點介紹了我國在組學、腦科學與神經科學、合成生物學、非編碼 RNA、表觀遺傳學、結構生物學、免疫學、幹細胞等領域的研究進展以及生物技術應用於醫藥、農業、工業、環境等方面的情況，分析了我國生物產業及細分領域的發展態勢，並對 2015 年生命科學論文和生物技術專利情況進行了統計分析。《2016 中國生命科學與生物技術發展報告》分為總論、生命科學、生物技術、生物產業、投融資、文獻專利 6 個章節，以翔實的數據、豐富的圖表和充實的內容，全面展示了當前我國生命科學、生物技術和生物產業的基本情況。

（本期編輯：安靜）

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