全球生物科技發展態勢及對我國的啟示

2019年,世界主要經濟體加強生物科技領域戰略布局,尤其是在生物經濟方面提出國家級規劃與路線圖,在項目部署方面重視前沿顛覆性技術。本文首先梳理了美國、加拿大、歐盟、英國等國家和地區發布的生物經濟戰略、實施路線圖和相關的項目部署。隨后對全球生物科技領域的重要進展進行總結,并針對研發現狀和生物技術與其他技術之間交叉融合的大趨勢。研究發現,全球生物科技發展呈現以下五點趨勢:生物多樣性保護形勢嚴峻;生物資源挖掘利用更加深入;新興技術與工具的快速發展推動生物科學與技術向縱深發展;人類修飾生命創造生命的能力不斷提升促進工程生物學應用的不斷擴展;全球科技交叉融合日益凸顯。最后,基于政策和研發趨勢,本文提出了制定國家生物經濟發展戰略、調整和優化學科布局、支持核心技術研發、制定和完善產業扶持政策等建議,以促進我國生物科技領域的創新發展。

全球生物科技發展態勢及對我國的啟示

當前,全球新一輪科技革命和產業革命加速發展,新技術的發展正在改變科學發現的方式,促進生物科學領域產生更多重要突破。自1953年DNA雙螺旋結構的解析以來,生物技術發展迅猛,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、神經芯片等交叉融合應用的出現,多年來生物技術一直占據著年度科技突破主流。隨著全球生物科技的飛速發展和應用拓展,多學科交叉融合共生,相互促進,推動前沿技術顛覆性創新和新一代科技革命。生物產業逐漸表現出與信息產業深度融合、交替輪動的發展勢頭,展現出推動產業革命和結構調整的潛力,有望從根本上解決當前人類共同面對的人口、糧食、資源、環境、能源等重大問題,是促進經濟社會可持續發展的有效途徑。各國在生物科技領域的競爭也日益加劇。本文梳理了美國、加拿大、歐盟、英國等國家和地區發布的生物經濟戰略、實施路線圖和相關的項目部署;介紹了全球生物科技領域的重要進展;并針對研發現狀和生物技術與其他技術之間交叉融合的大趨勢,對我國相關領域發展提出4點建議。

1  國際重大戰略規劃和政策措施

1.1 強化頂層設計,展望生物經濟可持續發展

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

全球生物科技發展態勢及對我國的啟示

1.2 加強項目部署,推動前沿顛覆性技術變革

按照國家生物經濟發展規劃要點,各國在合成生物制造、基因編輯、生物醫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,積極驅動科技產業顛覆性變革(表2)。同時,各國在生物傳感器、生物成像技術,以及生物大數據基礎設施建設方面也部署了多個項目,推動生物科技在應對醫藥、材料、能源、環境和氣候變化等挑戰方面發揮積極作用。

全球生物科技發展態勢及對我國的啟示

2  近期生物科技領域五大研究趨勢

2.1生物物種數量下降明顯,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,聯合國發布的《生物多樣性和生態系統服務全球評估報告》顯示,近百萬種物種可能在幾十年內滅絕。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、生態系統功能迅速減弱意味著全球自然保護、自然可持續利用和發展的任務十分艱巨。2019年8月,世界自然基金會發布題為《樹冠之下》的報告對全球森林生物多樣性現狀進行了分析。結果表明,1970—2014年間,455個受監測的森林特異性物種的群體數量平均減少了一半以上;其中生物種群下降的現象在哺乳動物、爬行動物以及兩棲動物中表現一致。2019年10月,英國生態學與水文學研究中心、野生生物組織、政府機構和研究所等超過70個機構聯合發布《自然狀況報告2019》,基于對大量數據的分析表明,自1970年以來英國物種的平均數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系統。南京大學與中國科學院聯合團隊在“天河二號”超級計算機支持下,將化石記錄重現為生物演化歷史,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構高效捕獲、利用光能的機制。延續前期研究工作,這是對硅藻首個光合膜蛋白結構的解析,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構基礎。英國謝菲爾德大學解析菠菜中光合作用關鍵元件——細胞色素b6 f復合物的3.6Å分辨率低溫電子顯微鏡結構,為理解該復合物如何在光合作用中發揮催化和調節作用提供了結構依據?;蚪M技術發展加快了性狀鑒定和良種選育,從而提高了作物的環境適應能力和生產力。日本埼玉大學發現對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,便于農田雜草控制。清華大學與中國科學院遺傳與發育生物學研究所合作解析了植物抗病小體的結構與功能,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、環境問題方面也取得了多項成果。韓國高級科學技術研究所的研究人員利用新型工程微生物實現了脂肪酸的高效生產,使其更適合于大規模使用,以期改變目前生物燃料的應用現狀。美國蒙大拿州立大學等美國機構與英國樸茨茅斯大學合作設計出一種具有分解木質素活性的酶,有助于利用木質素制造日用品,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境保護方面顯示出巨大的應用前景。

2.3 生物成像技術朝著更清晰、更精確、實時、活體方向發展

生物學的發展和新學科分支的形成離不開研究方法和工具的創新,生物成像技術作為一種重要的技術手段在生命科學和生物醫學領域發揮著不可或缺的作用。美國霍華德•休斯醫學研究所等機構合作完成果蠅完整大腦成像,實現了納米級的清晰度,有助于科學家跟蹤神經元之間的聯系,為解析大腦的決策機制奠定了重要基礎。該團隊還將超分辨率的光學顯微鏡技術和電子顯微鏡技術相結合,開發了稱為cryo-SR/EM的新技術,以3D形式呈現出清晰、精準的細胞內部詳細視圖。美國加州理工學院開發了一套全新的超聲成像系統,實現在活體動物觀測基因表達。該系統的后續應用與開發,將為研究和探索活體動物的基因表達和調控提供更好的方式?;蚪M被轉錄、復制以及修復的過程中都涉及到DNA的旋轉。哈佛大學開發了新的單分子成像追蹤技術——基于可折疊DNA轉子的成像追蹤技術(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,為DNA旋轉測量和酶動力學等研究提供了有力的新工具。美國霍華德休斯醫學研究所等機構開發了一種非傳統成像方法——DNA顯微鏡,這是一種將基因型與表型聯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,促進工程生物學應用擴展

合成基因組的設計和創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”的數量增加了一倍,首次合成出包含8個堿基的DNA。該研究系統性證明合成堿基與天然堿基可彼此識別結合,并形成穩定的雙螺旋結構,這對于尋找其他生命形式非常重要。英國醫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。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。同時,該研究團隊還開展相關研究,為精確、快速、大規模(兆堿基)創建合成基因組工程操作提供關鍵的技術支持。美國萊斯大學等多機構利用協同組裝實現合成電路的復雜信號處理,極大地擴展了工程生物對化學、物理和環境變化的程序化反應。

美國麻省理工學院和哈佛大學合作將CRISPR-Cas9和逆轉錄酶整合在一起,開發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。中國科學院神經科學研究所等多個機構合作開發了基于新型脫靶檢測技術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,有望成為新的行業檢測標準。瑞士蘇黎世聯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,創建了一個生物雙核處理器,意味著向創建功能強大的生物計算機邁進了一步。

2.5 新技術不斷突破推動生物科學進入“計算設計”時代

借助信息技術的理論與方法,生物科學獲取內在創新動力,取得了從蛋白質、基因組和生物體設計到生物制造過程設計多項創新成果。美國華盛頓大學在利用計算機程序從頭設計蛋白質的研究領域處于全球領先地位,利用蛋白質結構預測的Rosetta算法平臺,從頭設計了抗癌蛋白藥物、根據環境變形的蛋白和具有生物活性的蛋白開關等一系列產物。利用上述蛋白開關即插即用特性,加州大學舊金山分校等多個機構合作開發生物反饋網絡,實現對內源性信號通路和合成基因電路的反饋控制。哈佛大學和哈佛醫學院合作創建了除定向進化和理性設計以外的第三種蛋白質設計方法——利用深度學習直接從氨基酸序列中預測天然蛋白和從頭設計蛋白質功能;與現有方法相比,可將成本降低兩個數量級。瑞士蘇黎世聯邦理工學院首次在計算機算法的幫助下構建了一個簡化的人工細菌基因組,有助于構建更適合的工程菌用于生產治療藥物和其他化學品。美國佛蒙特大學等多個機構合作,利用超級計算機設計開發全球首個青蛙細胞制造的“活體機器人”,證實了計算機設計生物體的可行性。美國伊利諾伊大學開發了結合人工智能設計、構建、測試和學習,實現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動生物制造平臺將有望引領未來智能制造的發展。

3  啟示與建議

國務院印發《“十三五”戰略性新興產業發展規劃》,明確提出加快生物產業創新發展步伐,培育生物經濟新動力。從國際重大戰略規劃和政策措施來看,生物經濟是各國對于未來經濟發展比較認可的模式,美、歐、日、韓等國家和地區都從國家戰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,增強顛覆性創新仍然是各國積極搶占的戰略制高點。從生物科技領域的研發態勢來看,新興技術與工具的快速發展推動生物科學與技術縱深發展: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;借助計算機輔助設計等新技術,基因組合成和改造能力不斷提高,人類在修飾生命和創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,還是學科本身的發展和研究方面,學科之間、科學與技術之間、不同技術之間的交叉融合趨勢日益凸顯。我國應面向世界科技發展前沿,緊抓融合發展的窗口期,以國家戰略需求為導向,以國家重大項目為牽引,著眼理論、技術、人才、應用和市場等多個維度,系統布局、重點規劃,全面提升我國的新興交叉融合領域的競爭力。

1)促進重點領域創新發展,制定國家生物經濟發展戰略

借鑒各國的生物經濟發展戰略,我國需加強國家生物經濟戰略布局,制定適合國情的中長期發展規劃,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,穩定支持工程生物學相關學科基礎研究以及與重點領域的跨學科研究,發展生物醫藥、生物制造、生物農業、生物能源、生物環保等重要應用領域,加大面向創新企業的公共和社會投資,培育發展生物服務新興業態,形成若干生物經濟發展高地,促進經濟社會可持續發展。

2)調整和優化學科布局,培養學科交叉融合創新人才

為契合國家重大戰略需求和經濟社會發展需求,需要重新優化和調整學科布局,在保持傳統優勢學科發展基礎上,重點建設合成生物學、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學信息學等前沿新興技術學科門類,整合建立學科群與交叉學科中心,促進多學科關聯交叉融合,拓寬大學、研究機構和創新型企業的交流合作。面向世界科技前沿,構建多學科融合創新的綜合性研究機構與育人平臺,加快培育由學科專業單一型向多學科融合型轉變的創新人才,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研發,培育前沿顛覆性創新能力

經過近年發展,我國更多領域科技創新態勢已由跟跑為主轉向并跑和領跑。中國在生物技術領域的合成生物學、基因編輯等方面研究都取得了全球矚目的創新成果,逐漸培育出領跑世界的技術與產業。雖然,與先進國家相比,我國在創新能力,基礎設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、計算機輔助設計(例如蛋白設計、藥物設計)等前沿交叉的技術創新領域差距尚未拉開,部分領域正處于競跑狀態,未來宜以問題為導向,緊緊圍繞攀登戰略制高點、強化關鍵環節的任務部署,,加快生物大數據、人工智能等新型數字基礎設施建設,促進關鍵核心技術自主研發突破,建立產業孵化空間和加速器,加速關鍵應用技術轉移轉化,推動產業創新發展。

4)制定和完善產業扶持政策,加強應用市場引導與監督

生物技術發展日新月異,創新成果不斷。在管理方式方面,需要改變以往的分割化模式,促進資源整合和產學研用一體化,全面營造有利于新興產業蓬勃發展的市場環境。生物技術產業近年蓬勃發展,正進入歷史機遇轉折點。學科之間、技術之間交叉融合創新必將孕育出新的產業和應用市場,創造新的經濟增長點。因此對于新興技術和產業,需要降低準入門檻,例如取消最低注冊資本的規定,鼓勵民營資本進入,積極培育由高端產業引領,具有國際競爭力的產業集群;營造寬松的市場氛圍,簡化審批手續,便利新技術和新產品進入市場;同時,結合實際情況,動態靈活地加強對市場主體的服務和監管。

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

【作者:丁陳君,陳方,鄭穎,吳曉燕,宋琪,中國科學院成都文獻情報中心;本文原載微信公眾號“世界科技研究與發展”,授權察網發布】

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原標題:全球生物科技發展態勢及對我國的啟示