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1  引言

現(xiàn)代生物科技貫穿生物資源、生物技術(shù)到生物產(chǎn)業(yè)全鏈條的創(chuàng)新，2016—2017年，生物資源開(kāi)發(fā)與生物多樣性保護(hù)受到高度關(guān)注，隨著關(guān)鍵技術(shù)的成熟和相關(guān)技術(shù)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(yè)化應(yīng)用蓬勃發(fā)展，多學(xué)科技術(shù)交叉引領(lǐng)新一代科技革命，給未來(lái)生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展賦予新動(dòng)能。

 

2 國(guó)際重要戰(zhàn)略與政策規(guī)劃

 

 

 2.1 全面強(qiáng)化生物科技戰(zhàn)略布局 

 

 

近兩年，世界主要經(jīng)濟(jì)體加強(qiáng)生物科技領(lǐng)域戰(zhàn)略布局，面向全球生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，圍繞基礎(chǔ)與前沿生物科技和重要產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域提出發(fā)展規(guī)劃。

歐盟在“地平線2020計(jì)劃”框架下2016—2017年內(nèi)針對(duì)生物技術(shù)和產(chǎn)品等主題部署研究項(xiàng)目，將低碳轉(zhuǎn)化微生物平臺(tái)建設(shè)、高附加值平臺(tái)化學(xué)品開(kāi)發(fā)等作為優(yōu)先研究方向。

英國(guó)生物技術(shù)和生物科學(xué)研究理事會(huì)（BBSRC）在其2006—2020年戰(zhàn)略規(guī)劃中明確將農(nóng)業(yè)與食品安全、工業(yè)生物技術(shù)與生物能源、服務(wù)健康的生物科學(xué)作為優(yōu)先研究領(lǐng)域，并在2017年宣布投入3.19億英磅支持未來(lái)五年的生物科技發(fā)展，以確保英國(guó)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)對(duì)人口增長(zhǎng)、化石能源替代和老齡化等全球挑戰(zhàn)。

我國(guó)也印發(fā)《“十三五”生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《“十三五”生物技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》及生物制造相關(guān)規(guī)劃，提出加快生物產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展步伐、培育生物經(jīng)濟(jì)新動(dòng)力的重要任務(wù)。

 

2.2 加速生物基產(chǎn)品與產(chǎn)業(yè)發(fā)展

 

美國(guó)、英國(guó)、歐盟等經(jīng)濟(jì)體近年積極推動(dòng)生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展，陸續(xù)出臺(tái)路線圖、發(fā)展藍(lán)圖和戰(zhàn)略計(jì)劃，設(shè)立生物基專項(xiàng)，以進(jìn)一步提高其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的貢獻(xiàn)。

美國(guó)農(nóng)業(yè)部通過(guò)“生物精煉、可再生化學(xué)品、生物基產(chǎn)品生產(chǎn)援助計(jì)劃”向以生物質(zhì)為原料的化學(xué)品和燃料項(xiàng)目提供1億美元貸款擔(dān)保；能源部在創(chuàng)新生物能源開(kāi)發(fā)、二氧化碳生物轉(zhuǎn)化利用、大型藻類生物燃料技術(shù)創(chuàng)新方面分批次投入逾億美元資金。

歐盟委員會(huì)和企業(yè)伙伴繼在2014年聯(lián)合推出預(yù)算37億歐元（2014—2024年）的生物基產(chǎn)業(yè)公私合作伙伴（BBI PPP）計(jì)劃后，在近兩年分別發(fā)布了該計(jì)劃的億元年度預(yù)算。

英國(guó)宣布投入1700萬(wàn)英磅資助“工業(yè)生物技術(shù)催化劑（IB Catalyst）”計(jì)劃，以促進(jìn)領(lǐng)先生物技術(shù)概念的市場(chǎng)轉(zhuǎn)化，并計(jì)劃在未來(lái)五年投入1000萬(wàn)美元啟動(dòng)工業(yè)生物技術(shù)與生物能源合作網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目（NIBB）二期，繼續(xù)資助生物制造、生物修復(fù)和生物能源方面的研發(fā)。

 

2.3 聚焦合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展

 

作為目前發(fā)展最為迅速的交叉學(xué)科之一，合成生物學(xué)已被推到解決有關(guān)健康、醫(yī)藥、材料、能源、環(huán)境、氣候變化和人口增長(zhǎng)等全球問(wèn)題的前沿。

2016年2月，英國(guó)科學(xué)部發(fā)布《生物經(jīng)濟(jì)的生物設(shè)計(jì)——合成生物學(xué)戰(zhàn)略計(jì)劃2016》報(bào)告，提出在2030年促進(jìn)英國(guó)合成生物學(xué)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到100億英鎊的目標(biāo)，并提出加速生物設(shè)計(jì)技術(shù)和設(shè)施的工業(yè)化和商業(yè)化、最大化創(chuàng)新研發(fā)能力、建設(shè)產(chǎn)業(yè)專家隊(duì)伍、完善產(chǎn)業(yè)支撐環(huán)境、拓展國(guó)內(nèi)國(guó)際合作等措施。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金（NSF）投入2500萬(wàn)美元資助建設(shè)細(xì)胞建造中心，利用人工智能平臺(tái)等工具，將植物或動(dòng)物細(xì)胞轉(zhuǎn)化成能夠生產(chǎn)新型藥物、燃料乃至生物計(jì)算機(jī)的生物工廠。

2018年1月8日，新加坡國(guó)立研究基金會(huì)宣布先期投入2500萬(wàn)美元啟動(dòng)國(guó)家合成生物學(xué)研發(fā)計(jì)劃，整合和確保新加坡在臨床應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用等方面的合成生物學(xué)研究能力的全面發(fā)展，提升本國(guó)生物經(jīng)濟(jì)的科研水平。

 

2.4 重視微生物組研究開(kāi)發(fā)與合作

 

在基因組學(xué)、宏基因組學(xué)等組學(xué)技術(shù)的支撐下，系統(tǒng)生物學(xué)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(fā)受到高度重視，美國(guó)、歐盟各國(guó)、日本等積極部署微生物組國(guó)家計(jì)劃。

2016年5月，美國(guó)宣布啟動(dòng)“國(guó)家微生物組計(jì)劃”，擬在微生物組相關(guān)的跨學(xué)科研究和平臺(tái)性技術(shù)開(kāi)發(fā)等方面投入巨額資金。

2017年10月，世界微生物數(shù)據(jù)中心和中國(guó)科學(xué)院微生物研究所聯(lián)合全球12個(gè)國(guó)家的微生物資源保藏中心發(fā)起全球微生物模式菌株基因組和微生物組測(cè)序合作計(jì)劃，擬建立覆蓋超過(guò)20個(gè)國(guó)家30個(gè)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(cè)序和功能挖掘合作網(wǎng)絡(luò)，預(yù)期5年內(nèi)完成超過(guò)1萬(wàn)種微生物模式菌株基因組測(cè)序。

2017年12月，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)微生物組計(jì)劃，整合院內(nèi)外14家機(jī)構(gòu)力量，將聚焦人體和環(huán)境健康微生物組，開(kāi)發(fā)新方法、新技術(shù)，研究微生物與人類和環(huán)境共同演化的科學(xué)規(guī)律，為人類健康和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供解決之道。

 

3  國(guó)際重大科技進(jìn)展與趨勢(shì)

 

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(hù)為生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)，相關(guān)研究持續(xù)受到高度關(guān)注。英、美、加拿大等多國(guó)機(jī)構(gòu)合作開(kāi)展的評(píng)估顯示過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)全球109個(gè)國(guó)家在生物多樣性保護(hù)方面的投入回報(bào)顯著，生物多樣性減少率下降29% 。英國(guó)皇家植物園連續(xù)兩年發(fā)布《全球植物現(xiàn)狀評(píng)估報(bào)告》，對(duì)地球生物多樣性、植物面臨的全球威脅以及現(xiàn)有政策效果進(jìn)行了全面分析。地球微生物組計(jì)劃公布首個(gè)合作研究成果，鑒定出全球約30萬(wàn)個(gè)獨(dú)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(gè)參考數(shù)據(jù)庫(kù)。

生物質(zhì)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(guī)?；９夂献饔眯实奶嵘兄谔岣咦魑锂a(chǎn)量并有望以自然高效的方式生產(chǎn)有用物質(zhì)，天然光合作用分子機(jī)理研究和人工光合作用裝置開(kāi)發(fā)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(tǒng)II-捕光復(fù)合物II超級(jí)膜蛋白復(fù)合體（PSII-LHCII supercomplex）的三維結(jié)構(gòu)，對(duì)于在分子水平理解其能量傳遞時(shí)間動(dòng)力學(xué)和光保護(hù)機(jī)理具有重要意義。同時(shí)，利用光-電元件、有機(jī)-無(wú)機(jī)體系的各類人工葉片研發(fā)也取得了進(jìn)展。印第安納大學(xué)化學(xué)家開(kāi)發(fā)的分子“葉片”可利用太陽(yáng)光和電將CO₂轉(zhuǎn)化為CO；印度浦那科學(xué)與工業(yè)研究委員會(huì)（CSIR）國(guó)家化學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的人造葉片能夠吸收陽(yáng)光從水中產(chǎn)生氫燃料 ；韓國(guó)蔚山國(guó)家科學(xué)與技術(shù)研究所（UNIST）的研究團(tuán)隊(duì)與德國(guó)科學(xué)家合作設(shè)計(jì)的人工葉片可以將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為氫和氧，且光收集效率增長(zhǎng)顯著。

相較于植物和藻類低效緩慢的天然固碳途徑，非天然生物固碳過(guò)程拓展了捕獲CO₂作為生物質(zhì)原料的能力，并能夠在固碳的同時(shí)生產(chǎn)有用產(chǎn)品，建立可持續(xù)的生物循環(huán)生產(chǎn)系統(tǒng)。哈佛大學(xué)開(kāi)發(fā)了利用生物兼容性的無(wú)機(jī)催化系統(tǒng)裂解水的新型生物合成系統(tǒng)，利用重組細(xì)菌以環(huán)境友好的方式將CO₂和水轉(zhuǎn)化為有用化學(xué)品，其中的CO₂還原效率達(dá)10%，首次超越天然光合作用效率；德國(guó)馬普學(xué)會(huì)研究人員設(shè)計(jì)組裝了一條自然界中不存在的全新固碳途徑CETCH循環(huán)，并實(shí)現(xiàn)了乙醛酸的生產(chǎn) 。美國(guó)哈佛大學(xué)的研究者成功開(kāi)發(fā)了利用附著有硫化鎘的熱莫爾氏菌色生產(chǎn)乙酸的方法，能以6倍以上的效率把CO₂和水轉(zhuǎn)化成乙酸，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率達(dá)到80％，達(dá)到商業(yè)太陽(yáng)能電池板的四倍。

 

3.2 關(guān)鍵共性技術(shù)功效持續(xù)提升

 

創(chuàng)新型研發(fā)工具與技術(shù)平臺(tái)的精度與效率不斷提升，功能不斷增強(qiáng)，技術(shù)通路進(jìn)一步拓寬，方法路徑進(jìn)一步擴(kuò)展。隨著高分辨率成像技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)生物學(xué)新進(jìn)展不斷涌現(xiàn)，生物科學(xué)關(guān)鍵復(fù)合結(jié)構(gòu)與復(fù)雜過(guò)程機(jī)理逐步揭示。美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校和科羅拉多大學(xué)丹佛分校的研究人員利用低溫電鏡解析出酵母P狀態(tài)剪接體分辨率為3.3埃的高分辨率結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)了RNA剪接過(guò)程解析的最后一個(gè)重大缺口。美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和密歇根州立大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員提供了史上最清晰的完整細(xì)菌微區(qū)室圖片，揭示了細(xì)胞器蛋白外殼在原子水平分辨率下的結(jié)構(gòu)和組裝過(guò)程，有助于開(kāi)展改善碳固定和生物能源方面的研究。

DNA突變檢測(cè)技術(shù)、蛋白質(zhì)編輯、多重基因工程、DNA分子機(jī)器編程等均取得關(guān)鍵性突破。英國(guó)劍橋和德國(guó)馬普生物物理化學(xué)研究所的研究者開(kāi)發(fā)出被稱作Trim-Away的蛋白質(zhì)編輯新方法，為未來(lái)利用抗體治療疾病開(kāi)辟了新途徑。耶魯大學(xué)研究人員描述了真核生物細(xì)胞的多重自動(dòng)化基因組工程（MAGE），能在不導(dǎo)致DNA雙鏈斷裂的情況下對(duì)釀酒酵母的多個(gè)位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精確修飾；中國(guó)科學(xué)院與荷蘭格羅寧根大學(xué)合作，采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法對(duì)多肽酰胺酶進(jìn)行工程化改造，建立了基于原子尺度的高精度生物催化計(jì)算平臺(tái)，并獲得了新一代廣譜多肽C末端修飾酶；美國(guó)伊利諾伊大學(xué)研究人員構(gòu)建了一種整合模型框架，實(shí)現(xiàn)了基因回路行為的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，可提高合成回路設(shè)計(jì)的有效性；加州理工學(xué)院研究人員開(kāi)發(fā)出了一種由單鏈DNA做成的全自動(dòng)分子機(jī)器人，可在納米尺度上執(zhí)行任務(wù)，有望用于組裝分子化學(xué)藥物、將藥物分子運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞指定位置、將垃圾的分子成分分類回收等。

 

3.3 前沿引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛

 

在大數(shù)據(jù)和計(jì)算生物學(xué)研究的支撐下，基因組學(xué)技術(shù)不斷突破，引領(lǐng)基因組研究從“讀取”進(jìn)入到“編輯”和“編寫(xiě)”時(shí)代，為醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、環(huán)境與氣候變化問(wèn)題提供解決方案?；蚪M測(cè)序成本不斷降低，第二代測(cè)序技術(shù)趨于成熟，單細(xì)胞基因組學(xué)發(fā)展迅速，單分子測(cè)序技術(shù)走向?qū)崟r(shí)、微型、高通量、低成本、長(zhǎng)讀長(zhǎng)方向，更為經(jīng)濟(jì)適用且自主可控的小型化測(cè)序平臺(tái)走近應(yīng)用。隨著DNA合成成本的快速下降，DNA數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)入相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，可望在未來(lái)引發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)革命。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)研究人員利用流式視頻算法將更多信息擠壓到DNA的四種堿基上，在一克DNA上實(shí)現(xiàn)215拍字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，構(gòu)建了迄今為止最高密度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。英國(guó)牛津納米孔生物技術(shù)公司推出的MinION測(cè)序儀突破性實(shí)現(xiàn)了1Mb超長(zhǎng)DNA片段測(cè)序，并首次對(duì)人類基因組進(jìn)行了組裝。

基因組編輯工具CRISPR技術(shù)發(fā)展也更加精準(zhǔn)化，進(jìn)入“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)時(shí)代”，博德研究所人員開(kāi)發(fā)了能夠進(jìn)行RNA中單堿基編輯的REPAIR系統(tǒng)和ABE系統(tǒng)，而在過(guò)程中堿基編輯沒(méi)有發(fā)生傳統(tǒng)CRISPR的脫靶現(xiàn)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(fā)揮重要作用。下一步，科學(xué)家將致力構(gòu)建基因組規(guī)模工程的技術(shù)及其倫理框架，推進(jìn)“人類基因組編寫(xiě)計(jì)劃”，在10年內(nèi)把大型基因組合成成本降低到現(xiàn)在的千分之一，合成一條完整的人類基因組。飛速發(fā)展的基因組編輯技術(shù)在帶來(lái)基礎(chǔ)研究變革的同時(shí)，相關(guān)商業(yè)利益紛爭(zhēng)、社會(huì)問(wèn)題、政府管控以及倫理和法律問(wèn)題也引起國(guó)際社會(huì)極大關(guān)注。

合成生物技術(shù)研究推進(jìn)人類認(rèn)識(shí)自然、利用自然和改造自然的進(jìn)程，人工合成生物體、人工設(shè)計(jì)操縱生物功能不斷取得突破。“人工合成酵母基因組計(jì)劃”取得里程碑式階段性成果，繼2014年美國(guó)科學(xué)家人工合成真核生物酵母3號(hào)染色體后，新的五條酵母人工染色體也被成功合成，其中來(lái)自中國(guó)的三個(gè)研究團(tuán)隊(duì)合成了四條染色體，向?qū)崿F(xiàn)真核生物生命代碼的人工全編寫(xiě)邁進(jìn)了一步；美國(guó)克雷格·文特爾研究所與加州大學(xué)合成最小功能細(xì)菌基因組，美國(guó)斯克里普斯研究所小組制造出“穩(wěn)定”的半合成有機(jī)體 ，德國(guó)馬普學(xué)會(huì)研究人員開(kāi)發(fā)出了極其類似天然細(xì)胞膜的脂質(zhì)囊泡，普林斯頓大學(xué)成功合成了能在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮催化作用的人工蛋白酶，這些對(duì)于深入理解細(xì)胞的工作機(jī)制和設(shè)計(jì)人工生物體具有重要意義，并不斷將合成生物學(xué)推向嶄新時(shí)代；美國(guó)波士頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)直接對(duì)人類細(xì)胞的遺傳編碼進(jìn)行操作，將合成的“生物電路”添加到細(xì)胞DNA中，使細(xì)胞完成100組不同的邏輯操作，為復(fù)雜的生物計(jì)算鋪平了道路。

同時(shí)，合成生物技術(shù)快速發(fā)展帶來(lái)的安全、法律和倫理問(wèn)題受到高度重視，美國(guó)國(guó)防部與美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、國(guó)家工程院和國(guó)家醫(yī)學(xué)院人員合作研究構(gòu)建了合成生物學(xué)潛在生物防御脆弱性評(píng)估框架，描述了合成生物技術(shù)的類別和應(yīng)用范圍，指導(dǎo)相關(guān)技術(shù)問(wèn)題的評(píng)估和應(yīng)用。

 

3.4 現(xiàn)代工程技術(shù)應(yīng)用蓬勃發(fā)展

 

生物科技的發(fā)展日漸滲透和嵌入現(xiàn)代醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、能源、制造、環(huán)保等多個(gè)產(chǎn)業(yè)部門(mén)，生物科技工程化、商業(yè)化應(yīng)用蓬勃發(fā)展，為未來(lái)生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展賦予新動(dòng)能。以生物質(zhì)資源為基石，基因組學(xué)技術(shù)和合成生物技術(shù)為核心，提供創(chuàng)新生物技術(shù)產(chǎn)品與服務(wù)，將成為未來(lái)生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要路徑。微生物、酶等卓越生物催化劑的功能開(kāi)發(fā)與改進(jìn)趨向于更加智能高效，實(shí)現(xiàn)多種化學(xué)品、疫苗、抗體、藥物、營(yíng)養(yǎng)品、材料甚至食品的生物合成，有望帶來(lái)醫(yī)藥中間體、材料、平臺(tái)化合物、功能性食品生物制造的新變革，使得生物技術(shù)產(chǎn)品與服務(wù)的規(guī)模、范圍和復(fù)雜性不斷增加。

例如，美國(guó)生物藥物公司Synlogic對(duì)益生菌微生物進(jìn)行基因工程改造后開(kāi)發(fā)的SYNC1618被美國(guó)FDA認(rèn)定為治療苯丙酮尿癥（PKU）的孤兒藥；Bolt Threads公司利用蜘蛛DNA信息在酵母中完成基因組的設(shè)計(jì)和合成，再通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)生物紡織材料；Modern Meadow公司使用合成生物學(xué)工具來(lái)擴(kuò)增膠原蛋白，在實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)食用蛋白以及人造皮革。

 

3.5 顛覆性技術(shù)創(chuàng)新日趨活躍

 

生物科技與其他多學(xué)科技術(shù)交叉正在引領(lǐng)新一代科技革命。生物工程與互聯(lián)網(wǎng)、高性能計(jì)算、人工智能和自動(dòng)化技術(shù)交叉融合，實(shí)現(xiàn)高效模擬、預(yù)測(cè)基因表達(dá)和調(diào)控途徑，輔助生物設(shè)計(jì)、篩選、定向進(jìn)化和組裝，定制、改進(jìn)和管理工業(yè)流程。

例如，美國(guó)Nebula Genomics公司提供低成本的基因組測(cè)序服務(wù)，允許用戶自行處理測(cè)序信息并使用區(qū)塊鏈保護(hù)和分享基因組數(shù)據(jù)和交易記錄；美國(guó)初創(chuàng)企業(yè)Gingko Bioworks、Zymergen等公司通過(guò)整合機(jī)器人自動(dòng)化、機(jī)器學(xué)習(xí)、新穎軟件和高通量篩選等相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)菌株的快速開(kāi)發(fā)和優(yōu)化，用于生產(chǎn)工業(yè)化學(xué)品和其他生物基產(chǎn)品。丹麥諾和諾德公司研究人員使用高度專業(yè)的“自適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化”（ALE）機(jī)器人，成功構(gòu)建可大量生產(chǎn)絲氨酸的大腸桿菌工程菌細(xì)胞系；英國(guó)諾丁漢大學(xué)開(kāi)發(fā)了價(jià)值超百萬(wàn)的高技術(shù)機(jī)器人套件，以利用細(xì)菌菌株和渦輪增壓裝置將廢料轉(zhuǎn)化成高價(jià)值的新型化學(xué)品及燃料；美國(guó)帕爾馬斯酒莊開(kāi)發(fā)人工智能邏輯控制發(fā)酵系統(tǒng)Filcs對(duì)自有的24個(gè)釀酒發(fā)酵罐進(jìn)行分析和微管理，維持系統(tǒng)的智能平衡運(yùn)作能力；合成基因組學(xué)公司開(kāi)發(fā)的數(shù)字生物轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)⒚枋鯠NA、RNA和蛋白質(zhì)的數(shù)字化信息發(fā)送到遠(yuǎn)程設(shè)備，并將其打印成原始生物材料的合成版本。

 

4  對(duì)我國(guó)的啟示與發(fā)展建議

生物科技在引領(lǐng)未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的戰(zhàn)略地位日益凸顯，生物產(chǎn)業(yè)正加速成為繼信息產(chǎn)業(yè)之后的新的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，有望加快解決人類在資源、能源、環(huán)境和健康方面面臨的重大挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，我國(guó)創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)體系正在加快成型，創(chuàng)新型企業(yè)加快發(fā)展，研究型大學(xué)建設(shè)如火如荼，國(guó)家科技創(chuàng)新中心、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新中心建設(shè)發(fā)展有序推進(jìn)，以政府主導(dǎo)、金融資本支持的產(chǎn)學(xué)研深度融合體系進(jìn)一步成熟，全國(guó)多地密集建設(shè)生物產(chǎn)業(yè)園區(qū)，押注生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)下一個(gè)風(fēng)口。隨著我國(guó)國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的深入實(shí)施，世界科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)進(jìn)程的加速和綠色發(fā)展理念的實(shí)踐，我國(guó)生物科技發(fā)展正在面臨新的發(fā)展機(jī)遇。

未來(lái)，關(guān)注前沿研究的交叉與融合，重視新技術(shù)應(yīng)用的規(guī)劃與監(jiān)管，構(gòu)建全鏈條互動(dòng)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系，完善產(chǎn)業(yè)集群建設(shè)和新業(yè)態(tài)的培育，鼓勵(lì)高新技術(shù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)，繁榮技術(shù)交易與投融資市場(chǎng)，加強(qiáng)技術(shù)、產(chǎn)能與資本的國(guó)際合作，將有力推進(jìn)我國(guó)生物科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)進(jìn)程，為全球生物經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)揮更加積極的作用。

 

4.1 關(guān)注交叉性和顛覆性技術(shù)的發(fā)展

 

現(xiàn)代生物科學(xué)的發(fā)展是生物學(xué)與數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等科學(xué)之間相互交叉、滲透和相互促進(jìn)的結(jié)果，生物技術(shù)則是一門(mén)應(yīng)用性強(qiáng)、應(yīng)用面廣的關(guān)鍵使能技術(shù)。生物科技與多個(gè)領(lǐng)域和部門(mén)的前沿科技發(fā)展密切相關(guān)，生物資源與生物技術(shù)在基礎(chǔ)前沿、生命與健康、資源生態(tài)環(huán)境、信息、光電、材料、制造、能源等領(lǐng)域的發(fā)展中都已經(jīng)產(chǎn)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(lǐng)域巨頭紛紛進(jìn)入生物科技領(lǐng)域，生物大數(shù)據(jù)讀取、超算與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、云計(jì)算與處理、人工智能和深度學(xué)習(xí)等在生物科技中的應(yīng)用具有顛覆性意義和不可估量的商業(yè)價(jià)值。生物科技領(lǐng)域各種變革性的新技術(shù)勢(shì)必將在未來(lái)幾年內(nèi)極大地推動(dòng)生物科技領(lǐng)域的發(fā)展，下一代的科技創(chuàng)新將是人工智能、生物工程和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合。

 

4.2 加快發(fā)展化學(xué)品的先進(jìn)生物制造

 

當(dāng)前，傳統(tǒng)石化經(jīng)濟(jì)帶來(lái)的對(duì)不可再生資源的巨大消耗和環(huán)境污染與溫室效應(yīng)等負(fù)面效應(yīng)正在進(jìn)一步凸顯。基因組技術(shù)與合成生物技術(shù)的飛速發(fā)展，有望為化工、材料和能源等行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)顛覆性變化，將其引入綠色生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展時(shí)代?；瘜W(xué)品的先進(jìn)生物制造是我國(guó)轉(zhuǎn)變化工產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與增值模式的重要戰(zhàn)略選擇。為了有效促進(jìn)上述目標(biāo)的達(dá)成，我國(guó)首先需要重視微生物基因組學(xué)、代謝組學(xué)與合成生物學(xué)核心技術(shù)的研發(fā)，促進(jìn)功能基因鑒定挖掘、工業(yè)微生物分子育種、工業(yè)酶分子改造和生物催化轉(zhuǎn)化技術(shù)與平臺(tái)建設(shè)，孵化具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和重大產(chǎn)業(yè)前景的生物化學(xué)品與工藝；其次，著力打通從前沿基礎(chǔ)研究到應(yīng)用技術(shù)研究再到規(guī)模產(chǎn)業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新鏈條，加強(qiáng)協(xié)調(diào)公私部門(mén)合作、產(chǎn)學(xué)研交叉協(xié)作、上下游企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)的機(jī)制與做法，提升創(chuàng)新型生物化學(xué)品就緒度并縮短產(chǎn)業(yè)研發(fā)周期；最后，需加大財(cái)稅支持力度，完善生物化學(xué)品與服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證和監(jiān)管制度，提升生物基產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率和用戶接受度，促使生物化工產(chǎn)業(yè)走向成熟，為可持續(xù)的未來(lái)生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入活力。

 

4.3 拓展CO2利用的生物轉(zhuǎn)化與固碳途徑

 

CO₂作為特殊的生物質(zhì)資源，能夠利用真核生物（微藻等）或原核生物（藍(lán)細(xì)菌等）等生物合成底盤(pán)，在生產(chǎn)有用化學(xué)品的同時(shí)實(shí)現(xiàn)碳固定。近年來(lái)生物固碳途徑重構(gòu)與創(chuàng)建取得了很多進(jìn)展，但限制生物固碳效率的另一重要因素——能量供應(yīng)還需要更加重視。未來(lái)，大幅提高人工生物對(duì)光能的利用效率，或?qū)崿F(xiàn)對(duì)低成本電能的直接利用，將是生物固碳領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。同時(shí)，在工程實(shí)現(xiàn)方面還需關(guān)注含碳?xì)怏w原料綜合利用的設(shè)備與工藝開(kāi)發(fā)，及其與現(xiàn)有產(chǎn)氣工業(yè)設(shè)施的過(guò)程與工藝集成等問(wèn)題。

 

4.4 發(fā)展DNA數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)研究與應(yīng)用

 

大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)與多媒體的飛速發(fā)展，要求計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備擁有更大的存儲(chǔ)容量、更高的傳輸速率、更可靠的存儲(chǔ)質(zhì)量、更好的可擴(kuò)展性，以及更加經(jīng)濟(jì)和安全等特性，在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，半導(dǎo)體、磁盤(pán)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)密度都會(huì)達(dá)到極限。而DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的研究與應(yīng)用有望成為破解未來(lái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)難題的可行性方案，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)率先在該領(lǐng)域不斷取得階段性突破，我國(guó)在基因大數(shù)據(jù)測(cè)序領(lǐng)域具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，但在基因存儲(chǔ)方面仍處于起步階段。目前，DNA序列成本已降至每堿基5美分，而1克的DNA能存儲(chǔ)近10億TB的數(shù)據(jù)，把DNA作為存儲(chǔ)介質(zhì)來(lái)探索相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。目前DNA存儲(chǔ)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)是減少DNA合成在速度上的成本，計(jì)劃在10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)50年歸檔的成本效益，為商業(yè)上可行的DNA存儲(chǔ)模型鋪平道路。

 

4.5 重視前沿交叉技術(shù)的監(jiān)管與規(guī)范

 

人工合成生物體、人工設(shè)計(jì)改進(jìn)生物功能是生物科技領(lǐng)域前沿與核心研究，也是當(dāng)前發(fā)展最為迅速的交叉熱點(diǎn)，特別是基因編輯系統(tǒng)的進(jìn)步正在加速和拓展該技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，因此，對(duì)其進(jìn)行合理監(jiān)管引導(dǎo)與技術(shù)發(fā)展同樣重要。工業(yè)應(yīng)用導(dǎo)向的人工合成生物及相關(guān)基因編輯技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是高性能的生物作用劑，其操作對(duì)象主要是微生物與酶等低等生物細(xì)胞，具有較好的研究基礎(chǔ)和較廣的發(fā)展空間。在其安全監(jiān)管方面，一方面，它既不會(huì)遇到轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展面臨的尷尬境地，也不會(huì)遇到基因編輯哺乳動(dòng)物胚胎所面臨的生命尊嚴(yán)與倫理方面的挑戰(zhàn)；另一方面，它仍然在非天然進(jìn)化的生物體設(shè)計(jì)、非天然產(chǎn)物的生物合成、非專業(yè)人員的科研活動(dòng)參與等方面存在公眾視野之外的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)受到嚴(yán)格的法律監(jiān)管和實(shí)驗(yàn)室安全管理，并應(yīng)形成一套完整的管理規(guī)范與應(yīng)急預(yù)案。