生物科技領域國際進展與趨勢分析

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陳方, 丁陳君, 吳曉燕, 陳雲偉, 鄭穎.生物科技領域國際進展與趨勢分析[J].世界科技研究與發展, doi:10.16507/j.issn.1006-6055.2018.03.002.

陳方，丁陳君，吳曉燕，陳雲偉，鄭穎（中國科學院成都文獻情報中心）

摘要：2016—2017年，世界主要經濟體加強在生物資源、合成生物學、微生物組研發、生物基產品與產業等方面的重要戰略規劃和政策布局，積極促進生物產業新發展，培育生物經濟新動能。全球生物科技領域蓬勃發展，生物資源挖掘利用研究更加深入，創新性方法技術突破不斷進步，人工設計操作生物體能力增強，生物催化轉化能力持續提升。合成生物學、基因組編輯技術、計算機輔助設計、人工智慧和仿生製造等前沿交叉技術創新不斷湧現，新技術的發展將在未來幾年內極大地推動生物科技領域的快速進步。

關鍵詞：生物科技；生物經濟；生物多樣性；合成生物技術

doi:10.16507/j.issn.1006-6055.2018.03.002

1 引言

現代生物科技貫穿生物資源、生物技術到生物產業全鏈條的創新，2016—2017年，生物資源開發與生物多樣性保護受到高度關注，隨著關鍵技術的成熟和相關技術的交叉融合，人類利用和改造自然的能力不斷提升，生物科技工程化、商業化應用蓬勃發展，多學科技術交叉引領新一代科技革命，給未來生物經濟發展賦予新動能。

2 國際重要戰略與政策規劃

2.1全面強化生物科技戰略布局

近兩年，世界主要經濟體加強生物科技領域戰略布局，面向全球生物經濟發展需求，圍繞基礎與前沿生物科技和重要產業領域提出發展規劃。

歐盟在「地平線2020計劃」框架下2016—2017年內針對生物技術和產品等主題部署研究項目，將低碳轉化微生物平台建設、高附加值平台化學品開發等作為優先研究方向。

英國生物技術和生物科學研究理事會（BBSRC）在其2006—2020年戰略規劃中明確將農業與食品安全、工業生物技術與生物能源、服務健康的生物科學作為優先研究領域，並在2017年宣布投入3.19億英磅支持未來五年的生物科技發展，以確保英國的國際競爭力，應對人口增長、化石能源替代和老齡化等全球挑戰。

我國也印發《「十三五」生物產業發展規劃》、《「十三五」生物技術創新專項規劃》及生物製造相關規劃，提出加快生物產業創新發展步伐、培育生物經濟新動力的重要任務。

2.2 加速生物基產品與產業發展

美國、英國、歐盟等經濟體近年積極推動生物經濟發展，陸續出台路線圖、發展藍圖和戰略計劃，設立生物基專項，以進一步提高其在國民經濟中的貢獻。

美國農業部通過「生物精鍊、可再生化學品、生物基產品生產援助計劃」向以生物質為原料的化學品和燃料項目提供1億美元貸款擔保；能源部在創新生物能源開發、二氧化碳生物轉化利用、大型藻類生物燃料技術創新方面分批次投入逾億美元資金。

歐盟委員會和企業夥伴繼在2014年聯合推出預算37億歐元（2014—2024年）的生物基產業公私合作夥伴（BBI PPP）計劃後，在近兩年分別發布了該計劃的億元年度預算。

英國宣布投入1700萬英磅資助「工業生物技術催化劑（IB Catalyst）」計劃，以促進領先生物技術概念的市場轉化，並計劃在未來五年投入1000萬美元啟動工業生物技術與生物能源合作網路項目（NIBB）二期，繼續資助生物製造、生物修復和生物能源方面的研發。

2.3 聚焦合成生物學產業應用發展

作為目前發展最為迅速的交叉學科之一，合成生物學已被推到解決有關健康、醫藥、材料、能源、環境、氣候變化和人口增長等全球問題的前沿。

2016年2月，英國科學部發布《生物經濟的生物設計——合成生物學戰略計劃2016》報告，提出在2030年促進英國合成生物學市場規模達到100億英鎊的目標，並提出加速生物設計技術和設施的工業化和商業化、最大化創新研發能力、建設產業專家隊伍、完善產業支撐環境、拓展國內國際合作等措施。

美國國家科學基金（NSF）投入2500萬美元資助建設細胞建造中心，利用人工智慧平台等工具，將植物或動物細胞轉化成能夠生產新型藥物、燃料乃至生物計算機的生物工廠。

2018年1月8日，新加坡國立研究基金會宣布先期投入2500萬美元啟動國家合成生物學研發計劃，整合和確保新加坡在臨床應用和工業應用等方面的合成生物學研究能力的全面發展，提升本國生物經濟的科研水平。

2.4 重視微生物組研究開發與合作

在基因組學、宏基因組學等組學技術的支撐下，系統生物學研究不斷向微生物及微生物群拓展，涵蓋微生物群及其全部遺傳與生理功能的微生物組研發受到高度重視，美國、歐盟各國、日本等積極部署微生物組國家計劃。

2016年5月，美國宣布啟動「國家微生物組計劃」，擬在微生物組相關的跨學科研究和平台性技術開發等方面投入巨額資金。

2017年10月，世界微生物數據中心和中國科學院微生物研究所聯合全球12個國家的微生物資源保藏中心發起全球微生物模式菌株基因組和微生物組測序合作計劃，擬建立覆蓋超過20個國家30個主要微生物資源保藏中心共同參與的微生物基因組、微生物組測序和功能挖掘合作網路，預期5年內完成超過1萬種微生物模式菌株基因組測序。

2017年12月，中國科學院啟動微生物組計劃，整合院內外14家機構力量，將聚焦人體和環境健康微生物組，開發新方法、新技術，研究微生物與人類和環境共同演化的科學規律，為人類健康和社會可持續發展提供解決之道。

3 國際重大科技進展與趨勢

3.1生物資源挖掘利用更加深入

生物資源與生物多樣性保護為生態文明建設和可持續發展奠定基礎，相關研究持續受到高度關注。英、美、加拿大等多國機構合作開展的評估顯示過去一段時間內全球109個國家在生物多樣性保護方面的投入回報顯著，生物多樣性減少率下降29%。英國皇家植物園連續兩年發布《全球植物現狀評估報告》，對地球生物多樣性、植物面臨的全球威脅以及現有政策效果進行了全面分析。地球微生物組計劃公布首個合作研究成果，鑒定出全球約30萬個獨特的微生物16SrRNA序列，生成地球上的微生物群落信息的第一個參考資料庫。

生物質資源的功能基因挖掘與高值化利用更加智能、高效、多樣化和規模化。光合作用效率的提升有助於提高作物產量並有望以自然高效的方式生產有用物質，天然光合作用分子機理研究和人工光合作用裝置開發接連取得突破。中科院生物物理所研究人員解析了高等植物（菠菜）光系統II-捕光複合物II超級膜蛋白複合體（PSII-LHCII supercomplex）的三維結構，對於在分子水平理解其能量傳遞時間動力學和光保護機理具有重要意義。同時，利用光-電元件、有機-無機體系的各類人工葉片研發也取得了進展。印第安納大學化學家開發的分子「葉片」可利用太陽光和電將CO2轉化為CO；印度浦那科學與工業研究委員會（CSIR）國家化學實驗室開發的人造葉片能夠吸收陽光從水中產生氫燃料；韓國蔚山國家科學與技術研究所（UNIST）的研究團隊與德國科學家合作設計的人工葉片可以將陽光轉化為氫和氧，且光收集效率增長顯著。

相較於植物和藻類低效緩慢的天然固碳途徑，非天然生物固碳過程拓展了捕獲CO2作為生物質原料的能力，並能夠在固碳的同時生產有用產品，建立可持續的生物循環生產系統。哈佛大學開發了利用生物兼容性的無機催化系統裂解水的新型生物合成系統，利用重組細菌以環境友好的方式將CO2和水轉化為有用化學品，其中的CO2還原效率達10%，首次超越天然光合作用效率；德國馬普學會研究人員設計組裝了一條自然界中不存在的全新固碳途徑CETCH循環，並實現了乙醛酸的生產。美國哈佛大學的研究者成功開發了利用附著有硫化鎘的熱莫爾氏菌色生產乙酸的方法，能以6倍以上的效率把CO2和水轉化成乙酸，太陽能轉化效率達到80％，達到商業太陽能電池板的四倍。

3.2 關鍵共性技術功效持續提升

創新型研發工具與技術平台的精度與效率不斷提升，功能不斷增強，技術通路進一步拓寬，方法路徑進一步擴展。隨著高解析度成像技術的發展，結構生物學新進展不斷湧現，生物科學關鍵複合結構與複雜過程機理逐步揭示。美國加州大學洛杉磯分校和科羅拉多大學丹佛分校的研究人員利用低溫電鏡解析出酵母P狀態剪接體解析度為3.3埃的高解析度結構，填補了RNA剪接過程解析的最後一個重大缺口。美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室和密歇根州立大學等研究機構的研究人員提供了史上最清晰的完整細菌微區室圖片，揭示了細胞器蛋白外殼在原子水平解析度下的結構和組裝過程，有助於開展改善碳固定和生物能源方面的研究。

DNA突變檢測技術、蛋白質編輯、多重基因工程、DNA分子機器編程等均取得關鍵性突破。英國劍橋和德國馬普生物物理化學研究所的研究者開發出被稱作Trim-Away的蛋白質編輯新方法，為未來利用抗體治療疾病開闢了新途徑。耶魯大學研究人員描述了真核生物細胞的多重自動化基因組工程（MAGE），能在不導致DNA雙鏈斷裂的情況下對釀酒酵母的多個位點實現精確修飾；中國科學院與荷蘭格羅寧根大學合作，採用計算機設計方法對多肽醯胺酶進行工程化改造，建立了基於原子尺度的高精度生物催化計算平台，並獲得了新一代廣譜多肽C末端修飾酶；美國伊利諾伊大學研究人員構建了一種整合模型框架，實現了基因迴路行為的準確預測，可提高合成迴路設計的有效性；加州理工學院研究人員開發出了一種由單鏈DNA做成的全自動分子機器人，可在納米尺度上執行任務，有望用於組裝分子化學藥物、將藥物分子運輸到細胞指定位置、將垃圾的分子成分分類回收等。

3.3 前沿引領技術發展勢頭迅猛

在大數據和計算生物學研究的支撐下，基因組學技術不斷突破，引領基因組研究從「讀取」進入到「編輯」和「編寫」時代，為醫療、農業、環境與氣候變化問題提供解決方案。基因組測序成本不斷降低，第二代測序技術趨於成熟，單細胞基因組學發展迅速，單分子測序技術走向實時、微型、高通量、低成本、長讀長方向，更為經濟適用且自主可控的小型化測序平台走近應用。隨著DNA合成成本的快速下降，DNA數字存儲技術進入相關係統設計階段，可望在未來引發數據存儲革命。美國哥倫比亞大學研究人員利用流式視頻演算法將更多信息擠壓到DNA的四種鹼基上，在一克DNA上實現215拍位元組的數據存儲，構建了迄今為止最高密度的數據存儲設備。英國牛津納米孔生物技術公司推出的MinION測序儀突破性實現了1Mb超長DNA片段測序，並首次對人類基因組進行了組裝。

基因組編輯工具CRISPR技術發展也更加精準化，進入「點對點時代」，博德研究所人員開發了能夠進行RNA中單鹼基編輯的REPAIR系統和ABE系統，而在過程中鹼基編輯沒有發生傳統CRISPR的脫靶現象或者額外的DNA插入、缺失，有望在基因治療和功能性生物體改造方面發揮重要作用。下一步，科學家將致力構建基因組規模工程的技術及其倫理框架，推進「人類基因組編寫計劃」，在10年內把大型基因組合成成本降低到現在的千分之一，合成一條完整的人類基因組。飛速發展的基因組編輯技術在帶來基礎研究變革的同時，相關商業利益紛爭、社會問題、政府管控以及倫理和法律問題也引起國際社會極大關注。

合成生物技術研究推進人類認識自然、利用自然和改造自然的進程，人工合成生物體、人工設計操縱生物功能不斷取得突破。「人工合成酵母基因組計劃」取得里程碑式階段性成果，繼2014年美國科學家人工合成真核生物酵母3號染色體後，新的五條酵母人工染色體也被成功合成，其中來自中國的三個研究團隊合成了四條染色體，向實現真核生物生命代碼的人工全編寫邁進了一步；美國克雷格·文特爾研究所與加州大學合成最小功能細菌基因組，美國斯克里普斯研究所小組製造出「穩定」的半合成有機體，德國馬普學會研究人員開發出了極其類似天然細胞膜的脂質囊泡，普林斯頓大學成功合成了能在細胞內發揮催化作用的人工蛋白酶，這些對於深入理解細胞的工作機制和設計人工生物體具有重要意義，並不斷將合成生物學推向嶄新時代；美國波士頓大學團隊直接對人類細胞的遺傳編碼進行操作，將合成的「生物電路」添加到細胞DNA中，使細胞完成100組不同的邏輯操作，為複雜的生物計算鋪平了道路。

同時，合成生物技術快速發展帶來的安全、法律和倫理問題受到高度重視，美國國防部與美國國家科學院、國家工程院和國家醫學院人員合作研究構建了合成生物學潛在生物防禦脆弱性評估框架，描述了合成生物技術的類別和應用範圍，指導相關技術問題的評估和應用。

3.4 現代工程技術應用蓬勃發展

生物科技的發展日漸滲透和嵌入現代醫藥、農業、能源、製造、環保等多個產業部門，生物科技工程化、商業化應用蓬勃發展，為未來生物經濟發展賦予新動能。以生物質資源為基石，基因組學技術和合成生物技術為核心，提供創新生物技術產品與服務，將成為未來生物經濟發展的重要路徑。微生物、酶等卓越生物催化劑的功能開發與改進趨向於更加智能高效，實現多種化學品、疫苗、抗體、藥物、營養品、材料甚至食品的生物合成，有望帶來醫藥中間體、材料、平台化合物、功能性食品生物製造的新變革，使得生物技術產品與服務的規模、範圍和複雜性不斷增加。

例如，美國生物藥物公司Synlogic對益生菌微生物進行基因工程改造後開發的SYNC1618被美國FDA認定為治療苯丙酮尿症（PKU）的孤兒葯；Bolt Threads公司利用蜘蛛DNA信息在酵母中完成基因組的設計和合成，再通過發酵生產生物紡織材料；Modern Meadow公司使用合成生物學工具來擴增膠原蛋白，在實驗室中生產食用蛋白以及人造皮革。

3.5 顛覆性技術創新日趨活躍

生物科技與其他多學科技術交叉正在引領新一代科技革命。生物工程與互聯網、高性能計算、人工智慧和自動化技術交叉融合，實現高效模擬、預測基因表達和調控途徑，輔助生物設計、篩選、定向進化和組裝，定製、改進和管理工業流程。

例如，美國Nebula Genomics公司提供低成本的基因組測序服務，允許用戶自行處理測序信息並使用區塊鏈保護和分享基因組數據和交易記錄；美國初創企業Gingko Bioworks、Zymergen等公司通過整合機器人自動化、機器學習、新穎軟體和高通量篩選等相關技術，實現對菌株的快速開發和優化，用於生產工業化學品和其他生物基產品。丹麥諾和諾德公司研究人員使用高度專業的「自適應實驗室進化」（ALE）機器人，成功構建可大量生產絲氨酸的大腸桿菌工程菌細胞系；英國諾丁漢大學開發了價值超百萬的高技術機器人套件，以利用細菌菌株和渦輪增壓裝置將廢料轉化成高價值的新型化學品及燃料；美國帕爾馬斯酒庄開發人工智慧邏輯控制發酵系統Filcs對自有的24個釀酒發酵罐進行分析和微管理，維持系統的智能平衡運作能力；合成基因組學公司開發的數字生物轉換器，能夠將描述DNA、RNA和蛋白質的數字化信息發送到遠程設備，並將其列印成原始生物材料的合成版本。

4 對我國的啟示與發展建議

生物科技在引領未來經濟社會發展中的戰略地位日益凸顯，生物產業正加速成為繼信息產業之後的新的主導產業，有望加快解決人類在資源、能源、環境和健康方面面臨的重大挑戰。

當前，我國創新型國家建設體系正在加快成型，創新型企業加快發展，研究型大學建設如火如荼，國家科技創新中心、國家實驗室、國家技術創新中心建設發展有序推進，以政府主導、金融資本支持的產學研深度融合體系進一步成熟，全國多地密集建設生物產業園區，押注生物技術產業下一個風口。隨著我國國家創新驅動發展戰略的深入實施，世界科技強國建設進程的加速和綠色發展理念的實踐，我國生物科技發展正在面臨新的發展機遇。

未來，關注前沿研究的交叉與融合，重視新技術應用的規劃與監管，構建全鏈條互動的產業技術創新體系，完善產業集群建設和新業態的培育，鼓勵高新技術創新創業活動，繁榮技術交易與投融資市場，加強技術、產能與資本的國際合作，將有力推進我國生物科技強國建設進程，為全球生物經濟繁榮發揮更加積極的作用。

4.1關注交叉性和顛覆性技術的發展

現代生物科學的發展是生物學與數學、物理學、化學等科學之間相互交叉、滲透和相互促進的結果，生物技術則是一門應用性強、應用面廣的關鍵使能技術。生物科技與多個領域和部門的前沿科技發展密切相關，生物資源與生物技術在基礎前沿、生命與健康、資源生態環境、信息、光電、材料、製造、能源等領域的發展中都已經產生廣泛且深入的相互交叉和滲透。特別地，隨著微軟、谷歌、IBM等信息科技領域巨頭紛紛進入生物科技領域，生物大數據讀取、超算與計算機輔助設計、雲計算與處理、人工智慧和深度學習等在生物科技中的應用具有顛覆性意義和不可估量的商業價值。生物科技領域各種變革性的新技術勢必將在未來幾年內極大地推動生物科技領域的發展，下一代的科技創新將是人工智慧、生物工程和互聯網的結合。

4.2 加快發展化學品的先進生物製造

當前，傳統石化經濟帶來的對不可再生資源的巨大消耗和環境污染與溫室效應等負面效應正在進一步凸顯。基因組技術與合成生物技術的飛速發展，有望為化工、材料和能源等行業的發展帶來顛覆性變化，將其引入綠色生產的可持續發展時代。化學品的先進生物製造是我國轉變化工產業經濟發展與增值模式的重要戰略選擇。為了有效促進上述目標的達成，我國首先需要重視微生物基因組學、代謝組學與合成生物學核心技術的研發，促進功能基因鑒定挖掘、工業微生物分子育種、工業酶分子改造和生物催化轉化技術與平台建設，孵化具有自主知識產權和重大產業前景的生物化學品與工藝；其次，著力打通從前沿基礎研究到應用技術研究再到規模產業發展的創新鏈條，加強協調公私部門合作、產學研交叉協作、上下游企業聯合攻關的機制與做法，提升創新型生物化學品就緒度並縮短產業研發周期；最後，需加大財稅支持力度，完善生物化學品與服務的標準認證和監管制度，提升生物基產品的市場佔有率和用戶接受度，促使生物化工產業走向成熟，為可持續的未來生物經濟發展注入活力。

4.3 拓展CO2利用的生物轉化與固碳途徑

CO2作為特殊的生物質資源，能夠利用真核生物（微藻等）或原核生物（藍細菌等）等生物合成底盤，在生產有用化學品的同時實現碳固定。近年來生物固碳途徑重構與創建取得了很多進展，但限制生物固碳效率的另一重要因素——能量供應還需要更加重視。未來，大幅提高人工生物對光能的利用效率，或實現對低成本電能的直接利用，將是生物固碳領域的競爭焦點。同時，在工程實現方面還需關注含碳氣體原料綜合利用的設備與工藝開發，及其與現有產氣工業設施的過程與工藝集成等問題。

4.4 發展DNA數字存儲技術研究與應用

大數據、互聯網與多媒體的飛速發展，要求計算機存儲設備擁有更大的存儲容量、更高的傳輸速率、更可靠的存儲質量、更好的可擴展性，以及更加經濟和安全等特性，在可以預見的將來，半導體、磁碟和存儲數據密度都會達到極限。而DNA數據存儲的研究與應用有望成為破解未來數據存儲難題的可行性方案，歐美髮達國家已經率先在該領域不斷取得階段性突破，我國在基因大數據測序領域具有國際競爭力，但在基因存儲方面仍處於起步階段。目前，DNA序列成本已降至每鹼基5美分，而1克的DNA能存儲近10億TB的數據，把DNA作為存儲介質來探索相關係統設計問題的時機已經成熟。目前DNA存儲技術應用的發展趨勢是減少DNA合成在速度上的成本，計劃在10年內實現50年歸檔的成本效益，為商業上可行的DNA存儲模型鋪平道路。

4.5 重視前沿交叉技術的監管與規範

人工合成生物體、人工設計改進生物功能是生物科技領域前沿與核心研究，也是當前發展最為迅速的交叉熱點，特別是基因編輯系統的進步正在加速和拓展該技術領域的應用，因此，對其進行合理監管引導與技術發展同樣重要。工業應用導向的人工合成生物及相關基因編輯技術的發展目標是高性能的生物作用劑，其操作對象主要是微生物與酶等低等生物細胞，具有較好的研究基礎和較廣的發展空間。在其安全監管方面，一方面，它既不會遇到轉基因作物發展面臨的尷尬境地，也不會遇到基因編輯哺乳動物胚胎所面臨的生命尊嚴與倫理方面的挑戰；另一方面，它仍然在非天然進化的生物體設計、非天然產物的生物合成、非專業人員的科研活動參與等方面存在公眾視野之外的薄弱環節，應當受到嚴格的法律監管和實驗室安全管理，並應形成一套完整的管理規範與應急預案。

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