我國(guó)生物安全科技工作成就與展望

田金強(qiáng)， 何 蕊， 陳潔君， 潘子奇

中國(guó)生物技術(shù)發(fā)展中心，北京 100039

生物安全是國(guó)家安全的重要組成部分，科技是國(guó)家生物安全的重要戰(zhàn)略支撐。從20世紀(jì)90年代開始，中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部通過“973計(jì)劃”、國(guó)家科技支撐計(jì)劃以及基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)等，重點(diǎn)支持了生物安全領(lǐng)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)普查、機(jī)制理論研究以及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的研究。自“十二五”以來，針對(duì)新發(fā)突發(fā)傳染病、外來生物入侵、實(shí)驗(yàn)室生物安全、特殊生物資源保護(hù)等我國(guó)當(dāng)前面臨的重大生物安全威脅，科技部進(jìn)行了一系列項(xiàng)目部署，不斷加強(qiáng)生物安全科技支撐能力建設(shè)(鄭濤，2018； 中國(guó)生物技術(shù)發(fā)展中心，2017，2018)。“十三五”期間，科技部啟動(dòng)“生物安全關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”重點(diǎn)專項(xiàng)。本文總結(jié)了自“十二五”以來我國(guó)生物安全科技工作取得的主要成就，展望了生物安全科技發(fā)展態(tài)勢(shì)，并對(duì)我國(guó)生物安全科技發(fā)展提出建議。

1 生物安全科技工作取得的主要成就

1.1 重大新發(fā)突發(fā)傳染病防控成果顯著

在新發(fā)突發(fā)病原體的發(fā)生、播散、致病機(jī)制、防治以及未來病原體調(diào)查預(yù)測(cè)等方面取得一系列成果。發(fā)現(xiàn)了蝙蝠源冠狀病毒(如severe acute respiratory syndrome，SARS)(Zhouetal.,2018)、絲狀病毒(如Ebola virus)(Yangetal.,2019)等烈性病原體的起源、與宿主共進(jìn)化關(guān)系以及跨種傳播感染機(jī)制；揭示了H7N9、H5N6、EA H1N1等新發(fā)突發(fā)病原體的發(fā)生、重組、播散、損傷機(jī)制，研發(fā)的鼻噴流感減毒活疫苗填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白；闡明了寨卡病毒在宿主細(xì)胞內(nèi)基于分子水平的調(diào)控機(jī)制和寨卡病毒E蛋白新靶點(diǎn)(Chenetal.,2018)，在此基礎(chǔ)上研發(fā)了多株寨卡病毒單克隆抗體和高效的多肽及小分子類抑制劑；針對(duì)MERS-CoV、馬爾堡、漢坦等新發(fā)突發(fā)病原體，建立了應(yīng)急處置技術(shù)體系和規(guī)范方案，核酸檢測(cè)試劑實(shí)現(xiàn)單病種到多病種、低通量到高通量的突破；研究發(fā)現(xiàn)了1600多種新病毒，另建立了野生動(dòng)物疫源疫病數(shù)據(jù)庫(kù)、鳥類遷徙數(shù)據(jù)庫(kù)、野生動(dòng)物疫病樣本庫(kù)及預(yù)警示范基地，為未來野生動(dòng)物源性新發(fā)突發(fā)傳染病監(jiān)測(cè)預(yù)警奠定了基礎(chǔ)。

1.2 外來物種入侵甄別與防控初步形成體系支撐

在外來生物入侵防控基礎(chǔ)研究及其防治技術(shù)與產(chǎn)品方面取得顯著進(jìn)展，入侵生物學(xué)學(xué)科框架體系初步形成(陳潔君和王晶，2018; Sunetal.,2013; Wan & Yang,2016; Wanetal.,2017)。揭示了入侵生物“可塑性基因驅(qū)動(dòng)”入侵特性和“蟲菌共生”入侵機(jī)理，為入侵生物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、檢驗(yàn)檢疫、綜合防治提供了新思路；建立了上千種外來有害生物的DNA條形碼識(shí)別或種特異分子檢測(cè)等快速檢測(cè)技術(shù)與產(chǎn)品，開發(fā)了多物種智能圖像識(shí)別APP平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了重大入侵物種的遠(yuǎn)程在線識(shí)別和實(shí)時(shí)診斷；針對(duì)紅火蟻SolenopsisinvictaBuren、蘋果蠹蛾Cydiapomonella(L.)、馬鈴薯甲蟲LeptinotarsadecemlineataSay、稻水象甲LissorhoptrusoryzophilusKuschel、美國(guó)白蛾HyphantriacuneaDmry等農(nóng)林業(yè)重大入侵物種，研究建立了集成疫區(qū)源頭治理、嚴(yán)格檢疫、擴(kuò)散阻截、早期撲滅等應(yīng)急控制技術(shù)體系；針對(duì)豚草AmbrosiaartemisiifoliaL.、空心蓮子草Alternantheraphiloxeroides(Mart.) Griseb.、三葉草斑潛蠅Liriomyzatrifolii(Burgess)等大面積發(fā)生的惡性入侵種，研發(fā)了天敵昆蟲規(guī)?；庇搬尫偶夹g(shù)20項(xiàng)，構(gòu)建了基于生物防治和生態(tài)修復(fù)聯(lián)防聯(lián)控的區(qū)域性持續(xù)治理示范實(shí)踐新模式，示范應(yīng)用面積逾66.7萬hm2，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益。

1.3 生物安全實(shí)驗(yàn)室為國(guó)家生物安全提供有效裝備支撐

我國(guó)現(xiàn)已形成初步覆蓋全國(guó)、功能較為齊全、作用發(fā)揮較為充分、管理較為規(guī)范的生物安全實(shí)驗(yàn)室體系。截至目前，已建成近80個(gè)三級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室和3個(gè)四級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室，覆蓋24個(gè)省(市、自治區(qū))，在傳染病防控、突發(fā)公共衛(wèi)生事件應(yīng)急處置、動(dòng)植物疫病防控、醫(yī)藥科研、檢驗(yàn)檢疫和國(guó)防生物安全中發(fā)揮了重要的平臺(tái)支撐作用；依據(jù)《病原微生物實(shí)驗(yàn)室生物安全管理?xiàng)l例》(中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院,2004，2018)，建立了科技部、環(huán)保部、建設(shè)部等多部門參與的生物安全設(shè)施管理制度和實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可管理機(jī)制，保障實(shí)驗(yàn)室安全高效運(yùn)行；生物安全實(shí)驗(yàn)室核心防護(hù)技術(shù)與設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)了由“進(jìn)口依賴型”向“自主保障型”的轉(zhuǎn)變，自主研發(fā)的生物安全型手套箱式隔離器、負(fù)壓隔離器、高強(qiáng)度脈沖紫外線殺菌機(jī)器人等生物實(shí)驗(yàn)室防護(hù)屏障和消毒設(shè)備等綜合性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；新建的分別依托中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈爾濱獸醫(yī)研究所和中國(guó)科學(xué)院武漢病毒所的生物安全四級(jí)實(shí)驗(yàn)室在設(shè)施設(shè)備預(yù)防性維護(hù)管理系統(tǒng)、安全監(jiān)控平臺(tái)等核心管理軟件實(shí)現(xiàn)了自主操控和維修保障。

1.4 生物安全特種資源庫(kù)初步建立

我國(guó)陸續(xù)建成囊括野生動(dòng)植物種質(zhì)資源、微生物資源、入侵生物標(biāo)本資源、人類遺傳資源和生物信息資源等生物安全特種資源庫(kù)。國(guó)家重大科學(xué)工程“中國(guó)西南野生生物種質(zhì)資源庫(kù)”是亞洲最大的野生生物種質(zhì)資源庫(kù)，現(xiàn)已收集保藏21842種225522份(株)野生生物種質(zhì)資源；建成了中國(guó)典型培養(yǎng)物保藏中心、中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心、中國(guó)微生物菌毒種保藏中心、獸醫(yī)系統(tǒng)菌毒種保藏中心、中國(guó)烈性病毒資源保藏庫(kù)，保藏超過5000種近10萬株微生物資源；建有亞洲最大的醫(yī)學(xué)昆蟲標(biāo)本館，擁有蚊、蠓、蚋、蜱等媒介生物15大類共4500余種；建立了集科研、教學(xué)、科普一體化的現(xiàn)代化主要入侵生物標(biāo)本資源庫(kù)，保藏昆蟲類、軟體動(dòng)物、魚類、兩棲爬行和獸類等入侵動(dòng)物數(shù)據(jù)資料共33963條；復(fù)旦大學(xué)、深圳國(guó)家基因庫(kù)、北京生物銀行、上海生物樣本庫(kù)協(xié)作網(wǎng)等均建有初具規(guī)模的人類遺傳資源樣本庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)，其中復(fù)旦大學(xué)收集了包括華東、華北、華西和華南地區(qū)共20萬人的健康人群隊(duì)列、45個(gè)少數(shù)民族永生化細(xì)胞庫(kù)以及覆蓋30多種疾病的2200萬份樣本；世界微生物數(shù)據(jù)中心落戶中國(guó)科學(xué)院微生物研究所并建立全球微生物菌種資源目錄，使我國(guó)在微生物資源開發(fā)利用和數(shù)據(jù)共享方面占領(lǐng)國(guó)際前沿。

1.5 基因合成與編輯技術(shù)整體國(guó)際領(lǐng)先

我國(guó)在基因合成與編輯技術(shù)領(lǐng)域取得的成果為應(yīng)對(duì)國(guó)外科技優(yōu)勢(shì)威脅奠定了科技基礎(chǔ)(Wuetal.,2017; Xieetal.,2017)。以基因編輯、合成生物學(xué)和光遺傳工程等為代表的顛覆性生物技術(shù)，在國(guó)家安全、生命健康、農(nóng)業(yè)生態(tài)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用前景。我國(guó)已成為繼美國(guó)之后第二個(gè)掌握基因組設(shè)計(jì)構(gòu)建能力的國(guó)家，在酵母基因組合成、復(fù)雜基因調(diào)控回路、光遺傳學(xué)基因元器件設(shè)計(jì)等方面處于世界領(lǐng)先水平；代謝通路設(shè)計(jì)、非天然氨基酸設(shè)計(jì)、基因密碼子擴(kuò)展等方面與國(guó)際先進(jìn)水平齊平；人工細(xì)胞化工廠、人工生命體等構(gòu)建方面，形成了可與國(guó)際頂尖團(tuán)隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)方與團(tuán)隊(duì)基礎(chǔ)；在基因編輯技術(shù)領(lǐng)域，我國(guó)率先利用CRISPR技術(shù)建立了小鼠、大鼠、豬及靈長(zhǎng)類動(dòng)物等重要模式和經(jīng)濟(jì)動(dòng)物的基因修飾模型(Haietal.,2014; Kangetal.,2015; Lietal.,2013a,2013b; Maetal.,2014; Shaoetal.,2014; Wanetal.,2015; Yanetal.,2018; Yuanetal.,2015; Zhangetal.,2018)，編輯干細(xì)胞，獲得了抗細(xì)胞衰老和致瘤性轉(zhuǎn)化的遺傳增強(qiáng)“超級(jí)”干細(xì)胞，為干細(xì)胞治療提供了新的解決方案。

1.6 生物安全監(jiān)測(cè)預(yù)警防控網(wǎng)絡(luò)初步整合

建立了應(yīng)對(duì)新發(fā)突發(fā)傳染病的綜合防控網(wǎng)絡(luò)體系和基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的生物安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警平臺(tái)。建成了突發(fā)衛(wèi)生事件管理信息系統(tǒng)、傳染病監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，覆蓋全國(guó)所有省級(jí)疾病預(yù)防控制機(jī)構(gòu)和98%的縣級(jí)以上醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)，大幅提升了未知病原體的監(jiān)測(cè)、鑒定和疫情應(yīng)急處置能力，在SARS病毒、高致病性禽流感病毒、新型布尼亞病毒等新突發(fā)病原體的發(fā)現(xiàn)和溯源上發(fā)揮了重要作用；在上述傳染病監(jiān)測(cè)體系基礎(chǔ)上，研制了數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，建立了國(guó)家生物安全監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)集成與預(yù)警平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)多部門數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，以及國(guó)家傳染病監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、全軍傳染病監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、動(dòng)物疫病監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、出入境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)等10個(gè)系統(tǒng)初步整合；研發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的國(guó)家生物安全風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)與預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了在線風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)分析，自動(dòng)偵查異常征兆并預(yù)警。

2 生物安全科技發(fā)展態(tài)勢(shì)

2.1 前沿生物科技發(fā)展帶來新型生物安全風(fēng)險(xiǎn)

21世紀(jì)被稱為生命科學(xué)和生物技術(shù)的時(shí)代，生物技術(shù)在許多領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，如人類基因組計(jì)劃提前完成，合成生物學(xué)、基因編輯技術(shù)等領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。這些成就給人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來深遠(yuǎn)影響。一方面，生物技術(shù)在改善人類健康及生存環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面發(fā)揮著日益重要的作用；另一方面，新生物技術(shù)也導(dǎo)致生物安全風(fēng)險(xiǎn)日益增加。如合成生物學(xué)的發(fā)展使科學(xué)家可在網(wǎng)上免費(fèi)檢索到病原體基因序列信息，通過合成與修飾技術(shù)，許多常規(guī)生物實(shí)驗(yàn)室可以人工合成病原體，隨著近年來數(shù)字生物轉(zhuǎn)換器等新技術(shù)的出現(xiàn)，技術(shù)門檻有望進(jìn)一步降低；高效的基因編輯技術(shù)，使人類面臨大規(guī)模種族特異性甚至個(gè)體特異性基因武器的威脅，也可能意外制造出威脅巨大的新型人工病原體，造成難以預(yù)料的后果。

2.2 學(xué)科交叉融合催生先進(jìn)實(shí)用的生物安全技術(shù)產(chǎn)品

學(xué)科深度交叉融合是當(dāng)今世界學(xué)術(shù)主流發(fā)展方向之一，能夠促成多學(xué)科協(xié)同攻克復(fù)雜的綜合性問題，滿足國(guó)家和社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求。發(fā)達(dá)國(guó)家正在致力于利用多學(xué)科交叉技術(shù)，開發(fā)先進(jìn)實(shí)用的生物安全技術(shù)產(chǎn)品。例如，分子生物學(xué)、生物地理學(xué)、化學(xué)生態(tài)學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)等新興學(xué)科的蓬勃發(fā)展為入侵生物的早期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、快速診斷與識(shí)別、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與智能監(jiān)控等提供了技術(shù)支持；普適性基因組測(cè)序和傳感技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)病原體毒力、傳播性、藥物敏感性等生物學(xué)表征的近實(shí)時(shí)測(cè)定；環(huán)境監(jiān)測(cè)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，適用于多種環(huán)境下的生物事件和生物恐怖活動(dòng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)；3D打印化學(xué)藥品和生物制品，可用于分散式醫(yī)學(xué)防護(hù)產(chǎn)品制造，包括個(gè)性化定制藥物配方和劑量等。

2.3 快速研發(fā)生產(chǎn)疫苗和藥品成為重要發(fā)展方向

以往疫苗和藥品研發(fā)，都是針對(duì)已知的病原體，且研發(fā)周期較長(zhǎng)，一種藥物或疫苗研發(fā)往往需要10年以上時(shí)間才能獲批臨床應(yīng)用，而且成功的機(jī)率較低，難以滿足當(dāng)前新發(fā)突發(fā)傳染病頻發(fā)等生物威脅形勢(shì)。以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家，高度關(guān)注生物安全研究策略的調(diào)整，為快速應(yīng)對(duì)未知的突發(fā)性生物威脅，正在大力加強(qiáng)新技術(shù)平臺(tái)和產(chǎn)品的研發(fā)，注重縮短疫苗及藥物生產(chǎn)時(shí)間。例如，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)2017年啟動(dòng)大流行預(yù)防平臺(tái)(pandemic prevention platform，P3)項(xiàng)目，目標(biāo)是在鑒定出病毒后60 d內(nèi)對(duì)人員提供保護(hù)性治療，在實(shí)施治療措施3 d內(nèi)能夠產(chǎn)生保護(hù)效用，以期大幅縮短藥物疫苗研制的時(shí)間。

3 我國(guó)生物安全科技發(fā)展的建議

3.1 注重未雨綢繆

2018年9月，美國(guó)發(fā)布《國(guó)家生物防御戰(zhàn)略》，開篇明確提出“管理生物事件風(fēng)險(xiǎn)是美國(guó)的核心重大利益”，將強(qiáng)化生物風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)提高到維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要地位。隨著地球生態(tài)環(huán)境和人類生活方式的變化，未來生物風(fēng)險(xiǎn)將更加難以預(yù)測(cè)、無法控制，可能會(huì)導(dǎo)致大規(guī)模人員傷亡和經(jīng)濟(jì)社會(huì)混亂，要求我們大力加強(qiáng)生物安全科技創(chuàng)新，在應(yīng)對(duì)能力上早做準(zhǔn)備，下好先手棋，針對(duì)未來可能出現(xiàn)的生物安全風(fēng)險(xiǎn)未雨綢繆，提前做好部署。

3.2 強(qiáng)化集成創(chuàng)新

生物安全作為國(guó)家新興戰(zhàn)略安全領(lǐng)域，具有風(fēng)險(xiǎn)多變、威脅疊加、學(xué)科交叉、全維防護(hù)的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)決定了生物安全科研工作必須集中優(yōu)勢(shì)力量協(xié)作攻關(guān)，強(qiáng)化軍民融合，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的生物安全風(fēng)險(xiǎn)事件。面對(duì)洶涌而來的生物科技革命浪潮和來自于發(fā)達(dá)國(guó)家的科技競(jìng)爭(zhēng)和封鎖，亟待打破傳統(tǒng)研究力量布局，強(qiáng)化集成創(chuàng)新，集中資源進(jìn)行系統(tǒng)性布局，開展戰(zhàn)略前瞻性和系統(tǒng)集成性生物安全科技創(chuàng)新研究，搶占生物安全技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，加快培育生物安全技術(shù)高新企業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)，全面提升國(guó)家生物安全科技核心競(jìng)爭(zhēng)力和生物防御綜合保障能力。

3.3 打造綜合體系

通過科技創(chuàng)新打造國(guó)家應(yīng)對(duì)全譜生物威脅的綜合體系，需要政府進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，從科研項(xiàng)目和經(jīng)費(fèi)上予以長(zhǎng)期與穩(wěn)定的支持。一是要從源頭上遏止生物安全威脅，更加強(qiáng)調(diào)早期監(jiān)測(cè)檢測(cè)能力，如在邊境和領(lǐng)土范圍內(nèi)加強(qiáng)生物安全監(jiān)測(cè)預(yù)警，消除并防止高致病性病原體及相關(guān)材料和運(yùn)載系統(tǒng)技術(shù)和知識(shí)的進(jìn)一步擴(kuò)散，與其他國(guó)家合作及早發(fā)現(xiàn)并減輕疫情以防止大規(guī)模暴發(fā)。二是繼續(xù)扶持生物醫(yī)藥創(chuàng)新和新興技術(shù)，進(jìn)一步支持生物醫(yī)藥創(chuàng)新，通過加大知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)力度推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)進(jìn)步，大力支持基因編輯、合成生物學(xué)等需要優(yōu)先發(fā)展的對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和安全至關(guān)重要的新興技術(shù)。三是加強(qiáng)國(guó)家生物安全監(jiān)測(cè)與響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，提高對(duì)突發(fā)、新發(fā)疫情的應(yīng)急響應(yīng)速度，加強(qiáng)應(yīng)急響應(yīng)和統(tǒng)籌協(xié)調(diào)系統(tǒng)，迅速確定疫情特征，實(shí)施公共衛(wèi)生措施以遏制疾病的傳播，提供緊急醫(yī)療服務(wù)。