王小理:新一輪生物科技革命的前景與憂思

文章來源:中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院)  |  發(fā)布時間:2018-02-10  |  【打印】 【關(guān)閉

  

   在2018年及并不遙遠的未來,新一代精細化操控生物學(xué)現(xiàn)象的變革性工具,將開拓生物科技新領(lǐng)域、新空間、新疆域,其引領(lǐng)新一輪生物科技革命乃至更廣泛范圍科技革命的前景日漸明朗。 

  2017年,生命科學(xué)延續(xù)近年來的高速發(fā)展態(tài)勢,科技政策和科研成果亮點紛呈,在引領(lǐng)未來經(jīng)濟社會發(fā)展中扮演著越來越重要的角色。目前生物科技已經(jīng)邁入跨越發(fā)展的關(guān)鍵時期,拐點即將到來,但也出現(xiàn)了值得關(guān)注的新現(xiàn)象。

  基礎(chǔ)研究突破連綿不斷,展現(xiàn)學(xué)科旺盛活力 

  圍繞生物學(xué)基本命題,在生命起源與合成、免疫系統(tǒng)原理、生殖發(fā)育與細胞命運調(diào)控、重大疾病、腦神經(jīng)等前沿領(lǐng)域取得重大進展。首次證明利用早期原始材料合成構(gòu)成RNA的嘌呤類核苷酸和嘧啶類核苷酸的化學(xué)機制相同且形成于同一種前體分子,使距揭示地球生命起源之謎更近一步。成功從頭設(shè)計和合成釀酒酵母4條染色體,人工合成酵母基因組計劃Sc 2.0取得里程碑成果;合成“穩(wěn)定”的半合成有機體,向創(chuàng)造新生命形式與功能邁出重要步伐。首次對肝癌T細胞的免疫圖譜做出了系統(tǒng)的刻畫。第一次在分子、細胞、器官和整體動物水平上,完整解碼哺乳類動物雄性生殖系統(tǒng)衰老之謎。成功將人體多能干細胞轉(zhuǎn)化為具有造血干細胞功能的細胞;首次報道近原子分辨率的人源剪接體結(jié)構(gòu),為深入理解最基本的分子機器工作機理提供重要基礎(chǔ)。建立寨卡病毒的胎鼠動物模型,揭示病毒感染導(dǎo)致小頭畸形的分子機制。首次描述線蟲大腦控制身體運動的工作圖譜,完成小鼠全腦精細血管的立體定位圖譜,腦科學(xué)研究邁出新步伐。

   高精尖研發(fā)工具推陳出新,應(yīng)用進入歷史拐點 

  生命科學(xué)邁入高精尖工具帶動的新時代,科研效能大幅提升。基于先進低溫電子顯微鏡,成功解析一種解旋酶參與真核生物內(nèi)DNA復(fù)制的結(jié)構(gòu)過程。借助計算模型,闡明艾滋病病毒在細胞間傳播過程中的全新細節(jié)。創(chuàng)建更為精細的新型遺傳譜系示蹤技術(shù)和描述細胞發(fā)育路線圖的新算法,為解析特定細胞的起源和命運提供強大利器?;谛码姌O裝置的光遺傳學(xué)技術(shù),將基因遞送、光植入和記錄電極三個步驟并作一步,技術(shù)能級大為提升。

  重大應(yīng)用進入歷史性拐點。對患者T細胞進行基因技術(shù)處理的個性化療法CAR-T技術(shù)和精準(zhǔn)醫(yī)療進展顯著,首個基因療法、首個靶向腫瘤分子標(biāo)記物的藥物獲準(zhǔn)在美國正式上市。我國首個干細胞通用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布,有望推動干細胞研究應(yīng)用規(guī)范化發(fā)展。業(yè)界備受追捧的基因編輯技術(shù)繼續(xù)風(fēng)生水起?!犊茖W(xué)》雜志報道,科學(xué)家正首次嘗試在人體內(nèi)直接進行基因編輯,或?qū)⑹侨祟愥t(yī)療史上的一項里程碑。同時,不斷有新型基因編輯工具問世,該技術(shù)在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境等領(lǐng)域應(yīng)用的時代正在到來。

  學(xué)科交叉匯聚蓬勃發(fā)展,塑造嶄新創(chuàng)新維度 

  各類人造器官和“芯片實驗室”猶如雨后春筍。研制出3D類腦器官;研發(fā)可長時間維持有機體保持正常生理狀態(tài)的“人造子宮”,并使試驗中的羔羊存活4周。美國首次批準(zhǔn)對一種肝臟芯片開展一系列測試,有望取代動物模型。國內(nèi)首條人源性生物人工肝臨床研發(fā)生產(chǎn)線已建成。人造器官的發(fā)展,對于理解和模擬復(fù)雜生物功能提供了新選擇,為生物學(xué)研發(fā)帶來革命性影響。

  生物存儲和生物計算取得新突破,賦予生物技術(shù)與特定信息技術(shù)在功能上相媲美的潛能。成功創(chuàng)建一種在DNA中存儲數(shù)據(jù)的新方法,創(chuàng)造出迄今最高密度大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲方案,新系統(tǒng)將具備1克DNA存儲215拍字節(jié)的能力。研制出只包含RNA的細胞內(nèi)納米電路,能在大腸桿菌活細胞內(nèi)對12種不同指令同時反應(yīng)。成功設(shè)計哺乳動物細胞生物計算機,電路可運行16種不同的邏輯計算。研制出一種單向傳導(dǎo)電信號的生物活性二極管,開創(chuàng)制造細胞電路的自組裝方法。

  綜合來看,生命科學(xué)與工程機械、納米科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科交叉并不斷深入。在分子生物機器、生物電池、腦機接口裝置、新型材料、生物制造與3D生物打印、生物仿生等領(lǐng)域不斷掀起新熱點,將人類認識生物、改造利用生物的能力提升到新高度。

  經(jīng)濟與社會影響備受矚目,占據(jù)關(guān)鍵政策議程 

  2017年,生物科技繼續(xù)影響人類經(jīng)濟社會生活。從圍繞“基因魔剪”專利所有權(quán)爭奪與裁決、“三父母”嬰兒技術(shù)的倫理爭議,到谷歌、阿里巴巴等科技巨頭繼續(xù)“跨界”進入生物醫(yī)療領(lǐng)域,從嚴(yán)峻的超級細菌傳播形勢,到我國首個生物安全四級實驗室啟用和“重組埃博拉病毒病疫苗(腺病毒載體)”的新藥注冊申請獲得批準(zhǔn),從國際腦實驗室成立,到首份地球微生物多樣性數(shù)據(jù)集出爐,趨勢越發(fā)明顯:國際生命科學(xué)領(lǐng)域的競合新態(tài)勢正在加速形成。

  牢牢占據(jù)世界主要經(jīng)濟體和國際組織的政策議程。我國《“十三五”生物技術(shù)創(chuàng)新專項規(guī)劃》《“十三五”生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》發(fā)布,生命科學(xué)和生物產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略地位更加突出。美國特朗普政府舉辦生物技術(shù)界知名人士碰頭會議,研討生物技術(shù)與經(jīng)濟社會發(fā)展的關(guān)系;歐盟發(fā)布《生物經(jīng)濟戰(zhàn)略回顧》報告,并計劃在2018年對該戰(zhàn)略進行修訂;歐洲海洋局發(fā)布《海洋生物技術(shù):推動歐洲生物經(jīng)濟創(chuàng)新發(fā)展》。此外,英國推出《生命科學(xué)產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略》,韓國公布《生物原創(chuàng)技術(shù)開發(fā)計劃》2017年實施規(guī)劃,G20漢堡峰會啟動國際抗生素耐藥性研發(fā)計劃,OECD發(fā)布《微生物組、飲食和健康:科學(xué)和創(chuàng)新規(guī)劃》等。在政策議程推動下,生物科技不斷向更深、更廣的領(lǐng)域轉(zhuǎn)化發(fā)展。

  在國防和國家安全領(lǐng)域的地位凸顯,相關(guān)負面報道引發(fā)關(guān)注。2017年以來,美國特朗普政府宣布將制定新的國家生物防御戰(zhàn)略,國防高級研究計劃局全面推動合成生物學(xué)(基因編輯、基因驅(qū)動)、傳染病科技和腦科學(xué)領(lǐng)域的前瞻布局,其潛在軍事用途引發(fā)廣泛憂慮。美國高端科技智庫在合成生物學(xué)、生物安全監(jiān)測計劃、未來生物技術(shù)監(jiān)管等方面,幾乎同時進行研討,試圖引導(dǎo)生物科技發(fā)展議程。篡改草甘膦評估報告事件曝光,有證據(jù)顯示整個事件有幕后策劃和利益集團操控的跡象。總體上,生物安全形勢也處于大變局的關(guān)鍵時期。

  新一輪生物科技革命的前景與憂思 

  在2018年及并不遙遠的未來,新一代精細化操控生物學(xué)現(xiàn)象的變革性工具,將開拓生物科技新領(lǐng)域、新空間、新疆域,其引領(lǐng)新一輪生物科技革命乃至更廣泛范圍科技革命的前景日漸明朗。從生物大分子和特異細胞的精細化鑒定與譜系示蹤,到生殖發(fā)育過程中的細胞命運和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的精細化調(diào)控,再到生物系統(tǒng)模塊的構(gòu)建和系統(tǒng)精準(zhǔn)模擬,以高通量測序技術(shù)、高性能基因編輯技術(shù)、單細胞分析和譜系示蹤技術(shù)、超高分辨率生物成像技術(shù)、光遺傳學(xué)技術(shù)、生物大數(shù)據(jù)技術(shù)等使能工具為代表的新一代變革性研究工具,將精準(zhǔn)觀測、分析、調(diào)控、還原和重現(xiàn)生命過程(乃至生命進化過程),大幅度提升對生命過程的理解,將把生物學(xué)研究和應(yīng)用提升到前所未有的空間、時間維度與應(yīng)用范圍。按照當(dāng)前生物科技進步的加速度推算,以“信息生物”為基礎(chǔ)標(biāo)志,以創(chuàng)生、再生、仿生等為主要應(yīng)用的新一輪生物科技變革有望在未來5—10年進一步呈現(xiàn)、系統(tǒng)性展開。

  生物科技成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用進程加速,而各環(huán)節(jié)的潛在影響也值得警惕,急需做好對應(yīng)制度安排??萍脊┙o側(cè)一旦實現(xiàn)成功顛覆性創(chuàng)新,市場就會以波瀾壯闊的交易生成進行回應(yīng)。包括動植物快速定向育種、基因組醫(yī)學(xué)、腫瘤免疫治療、生物大數(shù)據(jù)、生物能源、生物制造、生態(tài)修復(fù)等新技術(shù)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用,將有望降低人類對自然資源的依賴,破解人類面臨的資源、能源、健康、安全等重大難題。同時,生物技術(shù)的社會效應(yīng)正在顯現(xiàn),倫理、法律和環(huán)境問題越發(fā)突出,生物技術(shù)的兩用性、生物恐怖、生物武器、生物戰(zhàn)爭的陰影浮現(xiàn),對此必須保持清醒和警惕。將主要圍繞人類社會基本物質(zhì)利益需求的生物科技發(fā)展觀1.0版,升級到圍繞人類社會可持續(xù)發(fā)展的生物科技發(fā)展觀2.0版,并采取相應(yīng)的監(jiān)管和公共治理機制,已變得越發(fā)清晰和急迫。宜積極主動、未雨綢繆,在政策上做出前瞻性安排。

 (作者單位:中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院)