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當前，全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命加速發(fā)展，新技術(shù)的發(fā)展正在改變科學發(fā)現(xiàn)的方式，促進生物科學領(lǐng)域產(chǎn)生更多重要突破。自1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的解析以來，生物技術(shù)發(fā)展迅猛，從“人造生命”、基因組編輯研究不斷取得突破性進展，再到腦-機接口、神經(jīng)芯片等交叉融合應(yīng)用的出現(xiàn)，多年來生物技術(shù)一直占據(jù)著年度科技突破主流。隨著全球生物科技的飛速發(fā)展和應(yīng)用拓展，多學科交叉融合共生，相互促進，推動前沿技術(shù)顛覆性創(chuàng)新和新一代科技革命。生物產(chǎn)業(yè)逐漸表現(xiàn)出與信息產(chǎn)業(yè)深度融合、交替輪動的發(fā)展勢頭，展現(xiàn)出推動產(chǎn)業(yè)革命和結(jié)構(gòu)調(diào)整的潛力，有望從根本上解決當前人類共同面對的人口、糧食、資源、環(huán)境、能源等重大問題，是促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。各國在生物科技領(lǐng)域的競爭也日益加劇。本文梳理了美國、加拿大、歐盟、英國等國家和地區(qū)發(fā)布的生物經(jīng)濟戰(zhàn)略、實施路線圖和相關(guān)的項目部署；介紹了全球生物科技領(lǐng)域的重要進展；并針對研發(fā)現(xiàn)狀和生物技術(shù)與其他技術(shù)之間交叉融合的大趨勢，對我國相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展提出4點建議。

1  國際重大戰(zhàn)略規(guī)劃和政策措施

1.1 強化頂層設(shè)計，展望生物經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展

2019年，世界主要經(jīng)濟體加強生物科技領(lǐng)域戰(zhàn)略布局，展望下一代生物經(jīng)濟發(fā)展前景并提出國家級規(guī)劃與路線圖（表1）。美國將生物經(jīng)濟確定為政府聯(lián)邦機構(gòu)重點研發(fā)的關(guān)鍵領(lǐng)域之一；加拿大發(fā)布首個國家生物經(jīng)濟戰(zhàn)略，以促進加拿大生物質(zhì)和殘余物的最大價值化利用，同時減少碳足跡，實現(xiàn)有效管理自然資源的目標；歐盟提出在2030年將生物基產(chǎn)品或可再生原料的份額增加到化學工業(yè)的有機化學品原材料和原料總量的25%；英國、意大利、奧地利也都發(fā)布國家生物經(jīng)濟戰(zhàn)略，面向下一代生物經(jīng)濟提出戰(zhàn)略部署和規(guī)劃要點。此外，針對發(fā)展生物科學應(yīng)對糧食安全、能源清潔增長和健康老齡化挑戰(zhàn)的路線圖——《英國生物科學前瞻》，英國發(fā)布生物科學領(lǐng)域《2019年交付計劃》，詳細闡述將要采取的行動，以支持交付目標的實現(xiàn)；日本提出到2030年建成世界最先進的生物經(jīng)濟社會；韓國旨在通過產(chǎn)業(yè)政策的根本性創(chuàng)新和率先投資，推動韓國生物健康產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展并進入全球領(lǐng)先地位。

1.2 加強項目部署，推動前沿顛覆性技術(shù)變革

按照國家生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃要點，各國在合成生物制造、基因編輯、生物醫(yī)藥等前沿交叉融合性生物科技方面加強項目部署和配套舉措，積極驅(qū)動科技產(chǎn)業(yè)顛覆性變革（表2）。同時，各國在生物傳感器、生物成像技術(shù)，以及生物大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面也部署了多個項目，推動生物科技在應(yīng)對醫(yī)藥、材料、能源、環(huán)境和氣候變化等挑戰(zhàn)方面發(fā)揮積極作用。

2  近期生物科技領(lǐng)域五大研究趨勢

2.1生物物種數(shù)量下降明顯，生物多樣性保護形勢嚴峻

英國肯特大學研究人員在《自然-通訊》發(fā)表的評論性文章指出，必須把生物多樣性擺在氣候變化政策的核心位置。目前，生物多樣性正受到前所未有的威脅。2019年5月，聯(lián)合國發(fā)布的《生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)全球評估報告》顯示，近百萬種物種可能在幾十年內(nèi)滅絕。在過去30年間，人們對自然資源的需求提高了一倍，盡管自然保護政策取得了一定進展，但生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)功能迅速減弱意味著全球自然保護、自然可持續(xù)利用和發(fā)展的任務(wù)十分艱巨。2019年8月，世界自然基金會發(fā)布題為《樹冠之下》的報告對全球森林生物多樣性現(xiàn)狀進行了分析。結(jié)果表明，1970—2014年間，455個受監(jiān)測的森林特異性物種的群體數(shù)量平均減少了一半以上；其中生物種群下降的現(xiàn)象在哺乳動物、爬行動物以及兩棲動物中表現(xiàn)一致。2019年10月，英國生態(tài)學與水文學研究中心、野生生物組織、政府機構(gòu)和研究所等超過70個機構(gòu)聯(lián)合發(fā)布《自然狀況報告2019》，基于對大量數(shù)據(jù)的分析表明，自1970年以來英國物種的平均數(shù)量和分布呈下降趨勢，15%的物種面臨滅絕威脅，2%的物種已經(jīng)永久滅絕，不同物種之間的地理分布平均縮小5%。中國科學家在生物多樣性研究領(lǐng)域取得了顯著成果。中國科學院植物研究所首次揭示了不同功能型土壤真菌驅(qū)動亞熱帶森林群落多樣性的作用模式，成功破譯了亞熱帶森林生物多樣性維持“密碼”，有助于保育和修復我國各類退化亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)。南京大學與中國科學院聯(lián)合團隊在“天河二號”超級計算機支持下，將化石記錄重現(xiàn)為生物演化歷史，繪制出古生代海洋生物多樣性曲線，對認識當今地球生物多樣性面臨的挑戰(zhàn)具有重要啟示意義。

2.2 生物資源挖掘利用更加深入，為解決全球性問題提供有效路徑

隨著全球人口數(shù)量增加，耕地面積減少，對光合作用機制的深入解析，提高植物光合效率成為進一步增加糧食單產(chǎn)的有效手段。中國科學院植物研究所揭示了硅藻利用其獨特結(jié)構(gòu)高效捕獲、利用光能的機制。延續(xù)前期研究工作，這是對硅藻首個光合膜蛋白結(jié)構(gòu)的解析，為研究硅藻的光能捕獲、利用和光保護機制提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。英國謝菲爾德大學解析菠菜中光合作用關(guān)鍵元件——細胞色素b6 f復合物的3.6Å分辨率低溫電子顯微鏡結(jié)構(gòu)，為理解該復合物如何在光合作用中發(fā)揮催化和調(diào)節(jié)作用提供了結(jié)構(gòu)依據(jù)?；蚪M技術(shù)發(fā)展加快了性狀鑒定和良種選育，從而提高了作物的環(huán)境適應(yīng)能力和生產(chǎn)力。日本埼玉大學發(fā)現(xiàn)對β-三酮類除草劑廣譜抗性的水稻基因，有助于培育抗除草劑作物，便于農(nóng)田雜草控制。清華大學與中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所合作解析了植物抗病小體的結(jié)構(gòu)與功能，為更好利用抗病蛋白提供了新的可能。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所利用兩個基因編輯器定向進化水稻OsACC基因并獲得除草劑抗性突變，為快速獲得有益農(nóng)藝性狀提供了可能。

此外，研究人員在利用生物資源緩解能源、環(huán)境問題方面也取得了多項成果。韓國高級科學技術(shù)研究所的研究人員利用新型工程微生物實現(xiàn)了脂肪酸的高效生產(chǎn)，使其更適合于大規(guī)模使用，以期改變目前生物燃料的應(yīng)用現(xiàn)狀。美國蒙大拿州立大學等美國機構(gòu)與英國樸茨茅斯大學合作設(shè)計出一種具有分解木質(zhì)素活性的酶，有助于利用木質(zhì)素制造日用品，減少對石油的依賴。美國麻省理工學院研究人員一直致力于微生物治理方面的研究，2019年已獲得對環(huán)境中鎘或鍶的吸收能力增強的釀酒酵母工程菌。近期該團隊又獲得新的進展，新的工程酵母菌不僅能吸收環(huán)境中的重金屬，還能將沉淀的金屬硫化物納米粒子進行金屬再萃取，在廢水廢氣處理及環(huán)境保護方面顯示出巨大的應(yīng)用前景。

2.3 生物成像技術(shù)朝著更清晰、更精確、實時、活體方向發(fā)展

生物學的發(fā)展和新學科分支的形成離不開研究方法和工具的創(chuàng)新，生物成像技術(shù)作為一種重要的技術(shù)手段在生命科學和生物醫(yī)學領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。美國霍華德·休斯醫(yī)學研究所等機構(gòu)合作完成果蠅完整大腦成像，實現(xiàn)了納米級的清晰度，有助于科學家跟蹤神經(jīng)元之間的聯(lián)系，為解析大腦的決策機制奠定了重要基礎(chǔ)。該團隊還將超分辨率的光學顯微鏡技術(shù)和電子顯微鏡技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了稱為cryo-SR/EM的新技術(shù)，以3D形式呈現(xiàn)出清晰、精準的細胞內(nèi)部詳細視圖。美國加州理工學院開發(fā)了一套全新的超聲成像系統(tǒng)，實現(xiàn)在活體動物觀測基因表達。該系統(tǒng)的后續(xù)應(yīng)用與開發(fā)，將為研究和探索活體動物的基因表達和調(diào)控提供更好的方式。基因組被轉(zhuǎn)錄、復制以及修復的過程中都涉及到DNA的旋轉(zhuǎn)。哈佛大學開發(fā)了新的單分子成像追蹤技術(shù)——基于可折疊DNA轉(zhuǎn)子的成像追蹤技術(shù)（Origami Rotor-based Imaging and Tracking，ORBIT），可用于在極高時空分辨率和高通量情況下追蹤DNA分子旋轉(zhuǎn)，為DNA旋轉(zhuǎn)測量和酶動力學等研究提供了有力的新工具。美國霍華德休斯醫(yī)學研究所等機構(gòu)開發(fā)了一種非傳統(tǒng)成像方法——DNA顯微鏡，這是一種將基因型與表型聯(lián)系起來的細胞可視化新方法，未來或有助于鑒定出最適合靶向特定癌細胞的免疫細胞，加快免疫療法的發(fā)展速度。

2.4 基因組的合成和改造能力進一步增強，促進工程生物學應(yīng)用擴展

合成基因組的設(shè)計和創(chuàng)建為理解生物學及其工程化提供了強大的工具。美國生物科技公司研究人員將生命“字母表”的數(shù)量增加了一倍，首次合成出包含8個堿基的DNA。該研究系統(tǒng)性證明合成堿基與天然堿基可彼此識別結(jié)合，并形成穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這對于尋找其他生命形式非常重要。英國醫(yī)學研究理事會分子生物學實驗室在全基因組水平對一株大腸桿菌進行重新編碼，并人工合成整套新的遺傳密碼以取代其天然基因組，為重編碼多種非標準氨基酸奠定了基礎(chǔ)。由于此類人工合成大腸桿菌基因組與野生型差異較大，未來有可能用于依賴于細菌合成的藥物生產(chǎn)。同時，該研究團隊還開展相關(guān)研究，為精確、快速、大規(guī)模（兆堿基）創(chuàng)建合成基因組工程操作提供關(guān)鍵的技術(shù)支持。美國萊斯大學等多機構(gòu)利用協(xié)同組裝實現(xiàn)合成電路的復雜信號處理，極大地擴展了工程生物對化學、物理和環(huán)境變化的程序化反應(yīng)。

美國麻省理工學院和哈佛大學合作將CRISPR-Cas9和逆轉(zhuǎn)錄酶整合在一起，開發(fā)出一種新型基因編輯工具，達到更精確、更高效和高度通用的效果。中國科學院神經(jīng)科學研究所等多個機構(gòu)合作開發(fā)了基于新型脫靶檢測技術(shù)GOTI（Genome-wide Off-target analysis by Two-cell embryo Injection）的基因編輯工具安全性評估的新工具，有望成為新的行業(yè)檢測標準。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院將兩個基于CRISPR-Cas9的核心處理器整合到人體細胞中，創(chuàng)建了一個生物雙核處理器，意味著向創(chuàng)建功能強大的生物計算機邁進了一步。

2.5 新技術(shù)不斷突破推動生物科學進入“計算設(shè)計”時代

借助信息技術(shù)的理論與方法，生物科學獲取內(nèi)在創(chuàng)新動力，取得了從蛋白質(zhì)、基因組和生物體設(shè)計到生物制造過程設(shè)計多項創(chuàng)新成果。美國華盛頓大學在利用計算機程序從頭設(shè)計蛋白質(zhì)的研究領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位，利用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的Rosetta算法平臺，從頭設(shè)計了抗癌蛋白藥物、根據(jù)環(huán)境變形的蛋白和具有生物活性的蛋白開關(guān)等一系列產(chǎn)物。利用上述蛋白開關(guān)即插即用特性，加州大學舊金山分校等多個機構(gòu)合作開發(fā)生物反饋網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對內(nèi)源性信號通路和合成基因電路的反饋控制。哈佛大學和哈佛醫(yī)學院合作創(chuàng)建了除定向進化和理性設(shè)計以外的第三種蛋白質(zhì)設(shè)計方法——利用深度學習直接從氨基酸序列中預(yù)測天然蛋白和從頭設(shè)計蛋白質(zhì)功能；與現(xiàn)有方法相比，可將成本降低兩個數(shù)量級。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院首次在計算機算法的幫助下構(gòu)建了一個簡化的人工細菌基因組，有助于構(gòu)建更適合的工程菌用于生產(chǎn)治療藥物和其他化學品。美國佛蒙特大學等多個機構(gòu)合作，利用超級計算機設(shè)計開發(fā)全球首個青蛙細胞制造的“活體機器人”，證實了計算機設(shè)計生物體的可行性。美國伊利諾伊大學開發(fā)了結(jié)合人工智能設(shè)計、構(gòu)建、測試和學習，實現(xiàn)番茄紅素生物制造過程的全自動化機器人平臺。此類全自動的算法驅(qū)動生物制造平臺將有望引領(lǐng)未來智能制造的發(fā)展。

3  啟示與建議

國務(wù)院印發(fā)《“十三五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，明確提出加快生物產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展步伐，培育生物經(jīng)濟新動力。從國際重大戰(zhàn)略規(guī)劃和政策措施來看，生物經(jīng)濟是各國對于未來經(jīng)濟發(fā)展比較認可的模式，美、歐、日、韓等國家和地區(qū)都從國家戰(zhàn)略的層面積極謀劃布局，不斷探索適合本國的最佳路徑。同時，布局前沿顛覆性技術(shù)，增強顛覆性創(chuàng)新仍然是各國積極搶占的戰(zhàn)略制高點。從生物科技領(lǐng)域的研發(fā)態(tài)勢來看，新興技術(shù)與工具的快速發(fā)展推動生物科學與技術(shù)縱深發(fā)展：借助超高分辨率顯微鏡等新工具，使人類在認識生命過程中能夠更快速地接近真相；借助計算機輔助設(shè)計等新技術(shù)，基因組合成和改造能力不斷提高，人類在修飾生命和創(chuàng)造生命的過程中達到了事半功倍的效果。無論是生命科學的研究工具開發(fā)，還是學科本身的發(fā)展和研究方面，學科之間、科學與技術(shù)之間、不同技術(shù)之間的交叉融合趨勢日益凸顯。我國應(yīng)面向世界科技發(fā)展前沿，緊抓融合發(fā)展的窗口期，以國家戰(zhàn)略需求為導向，以國家重大項目為牽引，著眼理論、技術(shù)、人才、應(yīng)用和市場等多個維度，系統(tǒng)布局、重點規(guī)劃，全面提升我國的新興交叉融合領(lǐng)域的競爭力。

1）促進重點領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展，制定國家生物經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略

借鑒各國的生物經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略，我國需加強國家生物經(jīng)濟戰(zhàn)略布局，制定適合國情的中長期發(fā)展規(guī)劃，采取切實可行的政策措施。鼓勵引導全社會的資源和科研力量，穩(wěn)定支持工程生物學相關(guān)學科基礎(chǔ)研究以及與重點領(lǐng)域的跨學科研究，發(fā)展生物醫(yī)藥、生物制造、生物農(nóng)業(yè)、生物能源、生物環(huán)保等重要應(yīng)用領(lǐng)域，加大面向創(chuàng)新企業(yè)的公共和社會投資，培育發(fā)展生物服務(wù)新興業(yè)態(tài)，形成若干生物經(jīng)濟發(fā)展高地，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

2）調(diào)整和優(yōu)化學科布局，培養(yǎng)學科交叉融合創(chuàng)新人才

為契合國家重大戰(zhàn)略需求和經(jīng)濟社會發(fā)展需求，需要重新優(yōu)化和調(diào)整學科布局，在保持傳統(tǒng)優(yōu)勢學科發(fā)展基礎(chǔ)上，重點建設(shè)合成生物學、生物工程學、計算生物學、類腦智能科學、生物影像學和生物醫(yī)學信息學等前沿新興技術(shù)學科門類，整合建立學科群與交叉學科中心，促進多學科關(guān)聯(lián)交叉融合，拓寬大學、研究機構(gòu)和創(chuàng)新型企業(yè)的交流合作。面向世界科技前沿，構(gòu)建多學科融合創(chuàng)新的綜合性研究機構(gòu)與育人平臺，加快培育由學科專業(yè)單一型向多學科融合型轉(zhuǎn)變的創(chuàng)新人才，帶動學科競爭力和我國科技水平的整體提升。

3）瞄準和支持核心技術(shù)研發(fā)，培育前沿顛覆性創(chuàng)新能力

經(jīng)過近年發(fā)展，我國更多領(lǐng)域科技創(chuàng)新態(tài)勢已由跟跑為主轉(zhuǎn)向并跑和領(lǐng)跑。中國在生物技術(shù)領(lǐng)域的合成生物學、基因編輯等方面研究都取得了全球矚目的創(chuàng)新成果，逐漸培育出領(lǐng)跑世界的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)。雖然，與先進國家相比，我國在創(chuàng)新能力，基礎(chǔ)設(shè)施等若干方面仍存在一定差距，但在腦-機接口、類腦智能、智能穿戴、DNA存儲、生物計算/細胞計算、計算機輔助設(shè)計（例如蛋白設(shè)計、藥物設(shè)計）等前沿交叉的技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域差距尚未拉開，部分領(lǐng)域正處于競跑狀態(tài)，未來宜以問題為導向，緊緊圍繞攀登戰(zhàn)略制高點、強化關(guān)鍵環(huán)節(jié)的任務(wù)部署，，加快生物大數(shù)據(jù)、人工智能等新型數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進關(guān)鍵核心技術(shù)自主研發(fā)突破，建立產(chǎn)業(yè)孵化空間和加速器，加速關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。

4）制定和完善產(chǎn)業(yè)扶持政策，加強應(yīng)用市場引導與監(jiān)督

生物技術(shù)發(fā)展日新月異，創(chuàng)新成果不斷。在管理方式方面，需要改變以往的分割化模式，促進資源整合和產(chǎn)學研用一體化，全面營造有利于新興產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的市場環(huán)境。生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)近年蓬勃發(fā)展，正進入歷史機遇轉(zhuǎn)折點。學科之間、技術(shù)之間交叉融合創(chuàng)新必將孕育出新的產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用市場，創(chuàng)造新的經(jīng)濟增長點。因此對于新興技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，需要降低準入門檻，例如取消最低注冊資本的規(guī)定，鼓勵民營資本進入，積極培育由高端產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)，具有國際競爭力的產(chǎn)業(yè)集群；營造寬松的市場氛圍，簡化審批手續(xù)，便利新技術(shù)和新產(chǎn)品進入市場；同時，結(jié)合實際情況，動態(tài)靈活地加強對市場主體的服務(wù)和監(jiān)管。

丁陳君,陳方,鄭穎,吳曉燕,宋琪. 全球生物科技發(fā)展態(tài)勢及對我國的啟示[J].世界科技研究與發(fā)展, doi:10.16507/j.issn.1006-6055.2020.04.021.