工業(yè)5.0
——仿生學(xué)和合成生物學(xué)的關(guān)聯(lián)及內(nèi)涵

Peter Sachsenmeier

aHertford College, University of Oxford, Oxford OX1 3BW, UK

bInternational Innovation Center, Hankou University, Wuhan 430212, China

工業(yè)5.0
——仿生學(xué)和合成生物學(xué)的關(guān)聯(lián)及內(nèi)涵

Peter Sachsenmeiera,b

aHertford College, University of Oxford, Oxford OX1 3BW, UK

bInternational Innovation Center, Hankou University, Wuhan 430212, China

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Received 3 May 2016

Revised 27 May 2016

Accepted 6 June 2016

Available online 30 June 2016

仿生學(xué)

合成生物學(xué)

生物工程

生物傳感器

生物燃料

生物武器

虛擬進(jìn)化

原始細(xì)胞

異種細(xì)胞

經(jīng)濟(jì)意義

工業(yè)5.0

德國(guó)

中國(guó)

仿生學(xué)(模仿生物特殊本領(lǐng)的學(xué)科)以及合成生物學(xué)，將和過(guò)去50年的硅芯片一樣與工程開(kāi)發(fā)、工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生緊密聯(lián)系?；瘜W(xué)工業(yè)已經(jīng)將白色生物技術(shù)應(yīng)用于新工藝、新材料和資源的可持續(xù)利用中。合成生物學(xué)也已經(jīng)應(yīng)用到第二代生物燃料的發(fā)展中，并利用特制的微生物或生物制催化劑獲取太陽(yáng)能。而仿生學(xué)在制藥、處理工程以及DNA存儲(chǔ)領(lǐng)域的市場(chǎng)潛力是巨大的?！暗窃掠?jì)劃”(Project Moonshot)已經(jīng)明確把醫(yī)療和新材料作為關(guān)注點(diǎn)，一場(chǎng)始于美國(guó)的創(chuàng)造大量新分子的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)開(kāi)始。本文首先概述了當(dāng)前的一些項(xiàng)目，接下來(lái)探討了代碼工程(code engineering)及其影響，包括脫氧核糖核酸(DNA)人工合成、信號(hào)分子以及生物回路。除此之外，還探討了涉及人造食物鏈和食物的仿生學(xué)前沿——合成代謝，以及原材料生物工程。這些研究將給生物學(xué)帶來(lái)新思考。生物工程將和今天的數(shù)字化技術(shù)一樣驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新。本文討論了生物工程，特別是碳基生物燃料的應(yīng)用和細(xì)胞飾變的技術(shù)與風(fēng)險(xiǎn)。大數(shù)據(jù)、分析學(xué)和海量存儲(chǔ)將是未來(lái)的發(fā)展方向。雖然合成生物學(xué)在未來(lái)50年將和當(dāng)今的數(shù)字化一樣普遍且具有革新能力，但是目前它的應(yīng)用和影響力還處在初級(jí)階段。本文采用了將生物工程發(fā)展分為五個(gè)階段(DNA分析、生物回路、最小基因組、原始細(xì)胞、異源生物學(xué))的普遍分類方法，闡述了其對(duì)安全與保障、工業(yè)發(fā)展以及生物工程和生物技術(shù)作為跨學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展的影響，同時(shí)討論了倫理問(wèn)題及公眾對(duì)仿生學(xué)和合成生物學(xué)結(jié)果的公眾討論的重要性。

? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1.引言

工業(yè)4.0和類似的概念，比如“中國(guó)制造2025”或數(shù)字產(chǎn)業(yè)，還沒(méi)有被精確定義，并且還需要長(zhǎng)足發(fā)展才能成為一個(gè)產(chǎn)業(yè)。這些概念遵循了常規(guī)的發(fā)展路線：從最初狹義的概念，到后期廣泛地使用，特別是當(dāng)政界、學(xué)術(shù)界、咨詢領(lǐng)域以及最終企業(yè)團(tuán)體關(guān)注到這一概念，并根據(jù)自己的需求重新詮釋它時(shí)。大量混合了工業(yè)4.0原始概念及數(shù)字技術(shù)去中介化理論和實(shí)踐的書(shū)籍考慮到了實(shí)際需求，它們頻繁使用“變革”(transformation)一詞。然而這些概念還沒(méi)有深刻影響到主要的中德企業(yè)，不過(guò)幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型的課程和項(xiàng)目已經(jīng)非常普遍。根據(jù)2016年4月德國(guó)阿倫斯巴赫研究所的調(diào)查，公眾對(duì)工業(yè)4.0的態(tài)度從漠不關(guān)心逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴恍湃巍９娨呀?jīng)開(kāi)始關(guān)注它將給社會(huì)，特別是就業(yè)帶來(lái)怎樣的影響。

最初是Cloked以“工業(yè)4.0與未來(lái)的工作”為題展開(kāi)了討論(主要是在人力資源部門)。隨后一些人認(rèn)為：在相對(duì)富裕的社會(huì)，我們應(yīng)該立即采取行動(dòng)，讓每個(gè)人都有政府提供的基本的經(jīng)濟(jì)來(lái)源，以防機(jī)器人代替人工這一天的到來(lái)，甚至還討論了這類資金的具體數(shù)值。

本文首先探討了仿生學(xué)(模仿生物特殊本領(lǐng)的學(xué)科)，隨后聚焦合成生物學(xué)。筆者認(rèn)為合成生物學(xué)將和過(guò)去50年的硅芯片一樣與工程發(fā)展產(chǎn)生緊密聯(lián)系[1,2]。基于數(shù)字以及網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)使得智慧城市和工業(yè)4.0備受關(guān)注，合成生物學(xué)帶來(lái)的改變則預(yù)示著一場(chǎng)更加徹底的變革，甚至是地緣戰(zhàn)略的改變：工業(yè)5.0。

那么我們從之前的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型中學(xué)到了什么呢？我們的經(jīng)驗(yàn)將幫助我們更好地把握工業(yè)5.0的機(jī)遇，還是只會(huì)在產(chǎn)業(yè)模式的轉(zhuǎn)變中帶來(lái)消極的影響呢？筆者在面向包括汽車制造業(yè)和移動(dòng)產(chǎn)業(yè)這類德國(guó)主要產(chǎn)業(yè)的研究顯示，這一理念的應(yīng)用仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而且很難預(yù)料它在戰(zhàn)略計(jì)劃中的作用。

2.仿生學(xué)

仿生學(xué)在概念上是合成生物學(xué)的前身。在仿生學(xué)中，我們嘗試模仿進(jìn)化中人們認(rèn)為有用的結(jié)果或過(guò)程，或?qū)W習(xí)我們想學(xué)習(xí)的內(nèi)容。仿生學(xué)涉及多個(gè)學(xué)科，包括科學(xué)、工程、建筑、哲學(xué)以及設(shè)計(jì)?；诙鄬W(xué)科專家的豐富的視角，我們可以系統(tǒng)地探索自然界如何成功地解決問(wèn)題。我們通過(guò)研究試圖復(fù)制或是再設(shè)計(jì)從自然界分離出的行為。仿生學(xué)有許多分支，包括形態(tài)仿生、傳感仿生、結(jié)構(gòu)仿生、動(dòng)態(tài)仿生、神經(jīng)仿生、仿生建筑設(shè)計(jì)、過(guò)程仿生、氣候仿生、機(jī)器人學(xué)以及進(jìn)化仿生[3]。

仿生學(xué)中模仿的自然界行為的過(guò)程分為仿生類比和仿生抽象。飛機(jī)、螺旋式翼梢小翼、側(cè)面模仿貓爪的汽車輪胎以及蜘蛛樣式的腿式機(jī)器人都是仿生類比的例子。而仿生抽象的應(yīng)用包括應(yīng)用“蓮葉效應(yīng)”的自潔式表面、模仿樹(shù)或骨骼結(jié)構(gòu)的建筑構(gòu)件、仿生肋條減阻(模仿鯊魚(yú)盾鱗肋條結(jié)構(gòu))、維克牢尼龍搭扣(模仿芒刺的結(jié)構(gòu))。類似的還有可以應(yīng)用群體智能和蟻群算法的自治系統(tǒng)(比如2016漢諾威工業(yè)博覽會(huì)展示的蟻式機(jī)器人)。

3.生物經(jīng)濟(jì)

生物經(jīng)濟(jì)并不是本文討論的重點(diǎn)。為了與合成生物學(xué)區(qū)分，本文簡(jiǎn)單闡述了生物經(jīng)濟(jì)的概念。德國(guó)“國(guó)家生物經(jīng)濟(jì)研發(fā)戰(zhàn)略2030”重點(diǎn)關(guān)注了五方面：全球糧食安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展、食品安全與健康、可再生資源的工業(yè)利用和生物質(zhì)能源。通常來(lái)說(shuō)，德國(guó)是生物基產(chǎn)品、能源、加工和服務(wù)的動(dòng)態(tài)研究和創(chuàng)新中心。這些研究希望能擔(dān)負(fù)起全球營(yíng)養(yǎng)以及氣候、資源和環(huán)境保護(hù)的責(zé)任。德國(guó)生物經(jīng)濟(jì)研究的中堅(jiān)力量為創(chuàng)造更廣闊的研究環(huán)境做出了不懈努力，比如德國(guó)亥姆霍茲國(guó)家研究中心(HGF)涉及植物、環(huán)境、地質(zhì)、氣候、生物技術(shù)和工程的研究，馬克思?普朗學(xué)會(huì)(MPS)致力于生命科學(xué)的研究，戈特弗里德?威廉?萊布尼茨科學(xué)共同體以及弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)都有大量的研究機(jī)構(gòu)。超過(guò)30 000位德國(guó)科學(xué)家在包括63所大學(xué)、26所專業(yè)技術(shù)學(xué)校、104所非大學(xué)研究機(jī)構(gòu)和9個(gè)政府機(jī)構(gòu)在內(nèi)的200多家研究機(jī)構(gòu)中從事生物技術(shù)問(wèn)題的研究。

4.白色生物技術(shù)

白色生物技術(shù)，也稱工業(yè)生物技術(shù)，是利用生物體或其產(chǎn)品的技術(shù)。和合成生物學(xué)不同，白色生物技術(shù)利用的是自然界已有的生物來(lái)完善或改進(jìn)工業(yè)處理過(guò)程，這一過(guò)程常常被認(rèn)為是生態(tài)友好的。白色生物技術(shù)的歷史悠久：人們從幾個(gè)世紀(jì)前就開(kāi)始用微生物來(lái)生產(chǎn)面包、奶酪、啤酒和葡萄酒。如今酶和微生物已經(jīng)無(wú)處不在了，從洗滌劑到面霜，乃至化學(xué)制品、藥物和維生素；同時(shí)它們被應(yīng)用到紡織品、紙張、皮革以及抗生素的生產(chǎn)中。白色生物技術(shù)和仿生學(xué)聯(lián)系緊密，比如在酶的應(yīng)用中，利用細(xì)菌生產(chǎn)出了“蜘蛛絲”，以及利用植物而不是橡膠樹(shù)生產(chǎn)彈性橡膠。白色生物技術(shù)涉及包括生物科學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、信息科學(xué)和工程學(xué)在內(nèi)的多學(xué)科知識(shí)。白色生物技術(shù)的研究通常在有相互合作關(guān)系的機(jī)構(gòu)中開(kāi)展。

5.合成生物學(xué)

合成生物學(xué)顯著縮短了進(jìn)化的時(shí)間[2,4]。德國(guó)各大報(bào)紙的頭條紛紛以諸如“定制生命”“樂(lè)高生命”“從零到生命體”，或是態(tài)度消極的“拯救與驚悚”為頭條來(lái)報(bào)道這一科學(xué)進(jìn)程。這一領(lǐng)域近來(lái)受到了越來(lái)越多的關(guān)注，牛津大學(xué)出版社在2016年4月發(fā)表了一篇有關(guān)這一議題的文章。德國(guó)的“生物技術(shù)2020+”項(xiàng)目(www.biotechnologie2020plus.de)整合了這一領(lǐng)域的主要研究體系和網(wǎng)絡(luò)。

合成生物學(xué)是一種重塑生命體的嘗試，也是悠久傳統(tǒng)的一部分[3]。比如麥田就是一種人工現(xiàn)象而不是自然現(xiàn)象。而科學(xué)家們則在不斷增強(qiáng)我們對(duì)這種人為干預(yù)的理解。細(xì)胞構(gòu)成團(tuán)塊的納米級(jí)世界是非常復(fù)雜的，對(duì)它的研究離不開(kāi)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)分析和海量存儲(chǔ)設(shè)備。合成生物學(xué)一條重要的定律是脫氧核糖核酸(DNA)的排序和合成遵循摩爾定律和指數(shù)增長(zhǎng)。第一次基因組測(cè)序花費(fèi)了數(shù)十億美元，然而現(xiàn)在個(gè)人基因檢測(cè)只需要1 000美元，而且預(yù)計(jì)到2022年只需要數(shù)美分。合成生物學(xué)過(guò)去6年的進(jìn)展比從前半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展都要大。

5.1.感知合成生物學(xué)

什么是合成生物學(xué)？舉例說(shuō)明往往比冗長(zhǎng)抽象的概念描述更具說(shuō)明性。下面就是一些已經(jīng)存在的合成生物學(xué)案例，或是未來(lái)的研究方向。

(1) 波士頓的生物科技初創(chuàng)公司Ginkgo BioWorks有一個(gè)可以為各種產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化微生物，或者叫“生物磚”的工程平臺(tái)，同時(shí)為生物部件提供開(kāi)源注冊(cè)。

(2) 蛋白質(zhì)科學(xué)用蠕蟲(chóng)細(xì)胞而不是雞蛋來(lái)研發(fā)新疫苗，為的是更有效地進(jìn)行生產(chǎn)。

(3) 美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)已經(jīng)研究替代食品很久了。海藻具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，許多藻類公司，比如Aurora微藻公司(Aurora Algae)、Blue Marble生物材料公司(Blue Marble Biomaterials)以及Sloazyme公司，都致力于提升這種價(jià)值。人造肉也是一個(gè)非常具有吸引力的商業(yè)話題。

(4) 倫敦帝國(guó)理工學(xué)院合成生物學(xué)與創(chuàng)新中心的科學(xué)家們正在試圖用一種實(shí)驗(yàn)室制造的無(wú)害微生物喂養(yǎng)鴿子，來(lái)使它們的排泄物更加生態(tài)友好，以此來(lái)節(jié)省城市巨大的環(huán)衛(wèi)開(kāi)支。

(5) 美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局(DARPA)正在從事有關(guān)“構(gòu)建生命系統(tǒng)”(Living Foundries)的研究，通過(guò)生物方法進(jìn)行系統(tǒng)修復(fù)，當(dāng)然精細(xì)智能的維護(hù)也是需要的。這種技術(shù)未來(lái)有望應(yīng)用到受災(zāi)地區(qū)。

(6) Simple6 技術(shù)發(fā)明了一種可以及時(shí)在食品工業(yè)中發(fā)現(xiàn)有害細(xì)菌的傳感器。未來(lái)市場(chǎng)包括醫(yī)療保健、零售食物鏈和水產(chǎn)業(yè)。

(7) 克迪科思(Codexis)公司和許多產(chǎn)業(yè)伙伴、官方伙伴一起探索能吸附大量二氧化碳的微生物基因組(生物催化劑)，希望以此來(lái)減少儲(chǔ)存碳的氧化鋁和肥料產(chǎn)品的排放量及成本。想象一下：我們可以通過(guò)二氧化碳賺錢！

(8) 通過(guò)引入冷凍技術(shù)，進(jìn)行微生物改造，火星有可能變得更接近地球環(huán)境并適宜居住。具有光合作用的藻類和細(xì)菌將有可能促進(jìn)火星宜居性的提升。細(xì)菌和合成生物學(xué)有可能促進(jìn)人類移居其他星球的進(jìn)程。

以上這些多元化的案例展示了合成生物學(xué)的諸多可能性。下面的部分將重點(diǎn)關(guān)注合成生物學(xué)的工程基礎(chǔ)。

5.2.虛擬進(jìn)化(virtual evolution)

合成生物學(xué)的工程師們將會(huì)帶來(lái)一些快速發(fā)生的、常常有些奇怪的進(jìn)化結(jié)果[5,6]。由于我們有能力人工改造蛋白質(zhì)，因此對(duì)其結(jié)構(gòu)的分析變得更加容易。最近發(fā)現(xiàn)CRISPR基因編輯系統(tǒng)可以改造染色體的任意部分，并且不會(huì)帶來(lái)意外的切斷和瑕疵。同時(shí)克雷格?文特爾和他的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的“基因組容器”(genome vessels, 2016年3月發(fā)布的最新研究成果，只花費(fèi)了6 000萬(wàn)美元)為研制針對(duì)感染組織的靶向合成藥物提供了可能性。蛋白質(zhì)芯片可以當(dāng)做診斷階段的傳感器。新的生物材料可以被制作成植入物、骨替代物或是用于透析微型實(shí)驗(yàn)(如果不是整個(gè)腎臟的話)。工業(yè)酶將以生物處理替代油基燃料的化學(xué)處理。新型最小組織對(duì)于新的生物多樣性就像磚對(duì)于建筑，生物機(jī)器將稻草變?yōu)樯锶剂?，并吸收大氣中的二氧化碳，我們的人工進(jìn)化將帶來(lái)頑強(qiáng)的人造細(xì)胞和新的生物物種。

5.3.人造核酸結(jié)構(gòu)(artifi cal nucleoid acid structure)

通過(guò)生物細(xì)胞產(chǎn)生具有新功能的人造細(xì)胞或是類似細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物容器，這一過(guò)程仍是非常困難的。如果我們能重新編排生物體的行為，我們也許可以通過(guò)納米技術(shù)創(chuàng)造出全新的傳感器、納米工廠或是納米生產(chǎn)線；我們可以使用因環(huán)境觸發(fā)而釋放內(nèi)容物的納米容器；納米開(kāi)關(guān)也是可能實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)然，DNA本身受到復(fù)雜的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和多糖環(huán)境的影響，要徹底理解它們之間的相互關(guān)系，我們還有很多工作要做。

5.4.生物傳感器和生物開(kāi)關(guān)

我們已經(jīng)在醫(yī)療診斷中應(yīng)用信號(hào)分子，比如我們所說(shuō)的早期診斷中的標(biāo)記方法。合成生物學(xué)將使得只需占用很小內(nèi)存的生物開(kāi)關(guān)變成可能?；谛滦偷纳镄盘?hào)，將產(chǎn)生新的示波器、分光儀和其他智能測(cè)量裝置，包括供個(gè)人即時(shí)使用的小裝置，能夠利用自身及云平臺(tái)儲(chǔ)備來(lái)提供可行性建議，甚至在必要時(shí)可以采取行動(dòng)并發(fā)出警告。將來(lái)這類開(kāi)關(guān)裝置可能還會(huì)有這樣的功能：它們可以消減某種藥物受到的阻力，比如某種結(jié)合細(xì)菌的抗生素抗性。

5.5.暢想合成生物學(xué)

合成生物學(xué)讓我們暢想永久的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及在合成DNA中編碼電子數(shù)據(jù)。我們期待在太空中應(yīng)用合成生物學(xué)，使發(fā)展過(guò)程不斷進(jìn)行并提供高品質(zhì)的合成環(huán)境，把宇航員從之前的裝載能力限制中解放出來(lái)。

5.6.創(chuàng)造新型代謝和生物燃料

創(chuàng)造新的食物鏈?zhǔn)悄壳昂铣缮飳W(xué)最緊迫的議題之一，比如說(shuō)如何借生物技術(shù)來(lái)可持續(xù)地使用原材料[7]。有時(shí)候也會(huì)涉及毒性抑制劑的基因切除，或是生產(chǎn)新的香味和味道。相比人造肉，這類假說(shuō)有更令人激動(dòng)的可能性[8]。

酶工程的應(yīng)用(比如發(fā)酵過(guò)程)將為制藥業(yè)提供經(jīng)濟(jì)高效的基礎(chǔ)材料，而且有可能創(chuàng)造出新的生物燃料。我們期待隨著這些分析和合成方式的發(fā)展，我們的生物理論觀念可以提升到一個(gè)新的高度。

由于碳基燃料具有高能量密度，因此目前我們對(duì)其依賴性還是很高。通過(guò)光營(yíng)養(yǎng)或非自養(yǎng)組織，也就是生物反應(yīng)器，第二代生物燃料將可以充分利用植物而不像現(xiàn)在只能利用4 % [9,10]。油和脂肪酸有可能在分子水平被充分利用，產(chǎn)出生物柴油和合成柴油。光合活性組織將被用于產(chǎn)出作為標(biāo)準(zhǔn)異辛烷原料的異丁烯和異戊二烯[11]。

通過(guò)克隆和基因型的整合，細(xì)菌可能被作為生物反應(yīng)器來(lái)大量生產(chǎn)和分泌脂肪酸。當(dāng)然經(jīng)受了這些操作處理，活細(xì)胞仍需要保持穩(wěn)定和活性。我們可以想象有些生物反應(yīng)器也會(huì)因此崩潰。

6.創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)潛力

從產(chǎn)值的角度來(lái)看，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)目前只占整個(gè)化學(xué)工業(yè)的不到10 %。生物燃料、酶、抗生素、維生素和氨基酸是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一些產(chǎn)品，主要應(yīng)用于制藥、食品、動(dòng)物飼養(yǎng)、洗滌劑生產(chǎn)等。

在不久的將來(lái)，第二代生物產(chǎn)品將會(huì)補(bǔ)充經(jīng)典的基因突變和基因選擇方法。新方法包括代謝工程和系統(tǒng)生物學(xué)，也就是有機(jī)體的基因改變，或是接受捐獻(xiàn)者的基因。新的代謝將幫助生產(chǎn)新的特定塑料的基礎(chǔ)材料。青蒿素(對(duì)抗瘧疾的藥物)、氫化可的松和青霉素未來(lái)也會(huì)更容易并且以更低的成本生產(chǎn)。

跨學(xué)科的合作將會(huì)加速這些進(jìn)展。生物信息學(xué)和基因組研究已經(jīng)緊密聯(lián)系在一起了。更多的化學(xué)物質(zhì)將通過(guò)生物技術(shù)生產(chǎn)而不是來(lái)自自然界本身。新的原材料不斷出現(xiàn)，比如用水藻制造光電涂層。

7.“天使亦魔鬼”的合成生物學(xué)：生物防護(hù)與安全

從合成生物學(xué)為人類提供了一個(gè)更好的世界和帶來(lái)數(shù)不清的益處來(lái)看，它有“天使”的一面；從濫用合成生物學(xué)的角度說(shuō)，同時(shí)它又有“魔鬼”的一面。為了更好地理解這一領(lǐng)域的內(nèi)在含義[1,12]，需要從我們已知的到我們未知的方向來(lái)梳理合成生物學(xué)的發(fā)展(以舉例的方式)。

(1) 已知：DNA合成，包括合成基因、人造染色體、合成病毒和合成整個(gè)基因組；

(2) 已知：生物回路，伴隨著基因、生物構(gòu)建要素、生物磚、代謝工程(比如制藥業(yè))和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)；

(3) 當(dāng)下：最小基因組，涉及對(duì)自上而下合成生物體、減少活體基因組數(shù)量，以及對(duì)基因電路傳遞功能的探索；

(4) 未知：原始細(xì)胞，涉及生物化學(xué)替代物、人造磷脂、沒(méi)有生命特征的細(xì)胞水平運(yùn)載工具、合成細(xì)胞、自下而上合成生物體、合成整個(gè)細(xì)胞，以及基因工程機(jī)器；

(5) 完全未知：異源細(xì)胞，涉及生物化學(xué)替代物、XNA(“外星”生命)、未知氨基酸、基因擴(kuò)增和重排、新型核糖體的發(fā)展、異源生物以及化學(xué)改性生物(CMO)。

原始細(xì)胞，暫且不說(shuō)異源細(xì)胞，很有可能是一種感染源。一旦它們?cè)谧匀唤缟?，人類將沒(méi)有足夠的力量控制這些細(xì)胞。國(guó)家法律和國(guó)際條約有意控制新生物體的無(wú)意識(shí)釋放?？茖W(xué)家們認(rèn)為應(yīng)該隔離這個(gè)平行的生物世界，并形成一道“基因防火墻”。

生物恐怖分子和生物武器的制造商很有可能利用合成生物學(xué)。這種威脅用委婉的方式說(shuō)就是“雙刃劍”。過(guò)去就曾出現(xiàn)過(guò)有意提升毒性的牛痘病毒、脊髓灰質(zhì)炎病毒基因產(chǎn)生的新型傳染性病毒和通過(guò)利用減弱毒性的牛痘病毒作為對(duì)抗天花病毒的疫苗。

2004年的《合成生物危害不擴(kuò)散條約》(A Synthetic Biohazard Non-Proliferation Proposal)亟待更新。開(kāi)源的生物技術(shù)使得產(chǎn)業(yè)的自我調(diào)節(jié)以及緩和人類對(duì)生物安全的擔(dān)憂變得困難。

長(zhǎng)期以來(lái)我們一直認(rèn)為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的濫用是無(wú)關(guān)緊要的。筆者曾經(jīng)組織過(guò)一次有關(guān)手機(jī)安全的會(huì)議，但當(dāng)時(shí)沒(méi)有人認(rèn)為手機(jī)會(huì)受到攻擊，那次會(huì)議草草結(jié)束。今天，手機(jī)被各種網(wǎng)絡(luò)信息刷屏，成為被攻擊的對(duì)象，同時(shí)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全的成本在不斷提升。類似地，我們呼吁更多有關(guān)仿生學(xué)和合成生物學(xué)影響力的學(xué)術(shù)和公眾討論；我們需要達(dá)成更多具有前瞻性的、有國(guó)際影響力的共識(shí)，同時(shí)需要更有效的維護(hù)生物安全的途徑。我們需要國(guó)際化的生物安全監(jiān)管機(jī)制嗎？是的！而且要盡我們所能。

在美國(guó)，惡意活動(dòng)是生物安全關(guān)注的重點(diǎn)。歐洲的關(guān)注重點(diǎn)則在生物防護(hù)和公眾身上。那么我們現(xiàn)在的風(fēng)險(xiǎn)管理體系足夠應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的危機(jī)嗎？不一定，至少?gòu)倪@些生物技術(shù)可能帶來(lái)的威脅這個(gè)角度來(lái)說(shuō)[14]。筆者希望自毀滅機(jī)制能逐漸成為未來(lái)合成生物學(xué)不可或缺的一部分，以此來(lái)降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

德國(guó)聯(lián)邦議院的咨詢機(jī)構(gòu)最近就在做旨在降低合成生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)的政策文件。

8.地緣政治的變化

仿生學(xué)工業(yè)在很多國(guó)家都存在。相比之下，合成生物學(xué)的分布就沒(méi)有那么均勻。合成生物學(xué)作為一個(gè)重要產(chǎn)業(yè)，即使有政策支持，它在德國(guó)的存在感仍然比較低。在荷蘭，三所主要的大學(xué)已經(jīng)同意資源共享。在中國(guó)，由于在這一領(lǐng)域的大規(guī)模投資，追求這一領(lǐng)域的收益仍是很重要的，同時(shí)監(jiān)管體制較為寬松。不管怎樣，隨著產(chǎn)業(yè)先行案例的開(kāi)展，我們已經(jīng)看到了其帶給我們數(shù)字化的、意想不到的結(jié)果。盡管我們現(xiàn)在還看不清誰(shuí)將主導(dǎo)工業(yè)5.0，哪個(gè)國(guó)家將獲益最多。

9.結(jié)論

從先前的產(chǎn)業(yè)模式轉(zhuǎn)換中看到，我們對(duì)學(xué)術(shù)和公眾辯論的必要性總是后知后覺(jué)。工業(yè)4.0促成了關(guān)于機(jī)器人參與的未來(lái)生活會(huì)是怎樣的討論。工業(yè)5.0的討論則是直擊人類生存之本、物理完整性和人與自然的關(guān)系?，F(xiàn)在這個(gè)話題看起來(lái)還只是個(gè)假設(shè)，但我們相信很快就會(huì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

通常來(lái)說(shuō)，技術(shù)進(jìn)步往往是領(lǐng)先于公眾認(rèn)知的。合成生物學(xué)開(kāi)放語(yǔ)言(SBOL)已經(jīng)到位了。這一領(lǐng)域被工程師定義，其好處也是從工程角度來(lái)評(píng)價(jià)，可以說(shuō)工程生物系統(tǒng)將處理信息、操作化學(xué)物質(zhì)、產(chǎn)出材料和結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)能量、提供食物，并維護(hù)和提升人類的健康和生存環(huán)境。

關(guān)鍵問(wèn)題是如何控制這些產(chǎn)品，誰(shuí)將獲益。我們應(yīng)該允許以活體申請(qǐng)專利嗎？我們能接受生物工程對(duì)人類胚胎進(jìn)行什么程度的處理？我們能負(fù)擔(dān)起怎樣的針對(duì)人類的逆向工程，或者說(shuō)我們?cè)试S多少？

通過(guò)假設(shè)和案例研究，我們必須了解合成生物學(xué)的真正內(nèi)涵。作為一個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域，它應(yīng)該被當(dāng)做許多學(xué)科研究不可或缺的一部分。比如說(shuō)，牛津大學(xué)、布里斯托大學(xué)和沃里克大學(xué)成立了一個(gè)聯(lián)合的博士項(xiàng)目，有來(lái)自工程學(xué)、生物學(xué)、生物化學(xué)、物理學(xué)、植物學(xué)、化學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)生共同參與。合成生物學(xué)的研究應(yīng)該具有全球視野，開(kāi)放地應(yīng)對(duì)科學(xué)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的影響，同時(shí)不應(yīng)該逃避倫理方面的公眾討論。

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* Corresponding author.

E-mail address: Peter.Sachsenmeier@hertford.oxon.org

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(2): 225-229

Peter Sachsenmeier.Industry 5.0-The Relevance and Implications of Bionics and Synthetic Biology.Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/

J.ENG.2016.02.015