生物科技領(lǐng)域國際發(fā)展趨勢與啟示建議*

丁陳君 陳 方 鄭 穎 吳曉燕

（中國科學院成都文獻情報中心，成都610041）

進入21世紀后，生物科技領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?，在推動?jīng)濟社會發(fā)展和全球生物經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展方面發(fā)揮了越來越重要的引領(lǐng)作用。生物技術(shù)在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化工、材料、能源等方面的應用，為人類解決環(huán)境污染、氣候變化、糧食安全、能源危機等重大挑戰(zhàn)提供了嶄新的解決方案。全球各國在大力促進生物科技發(fā)展的同時，也紛紛對以此為基礎(chǔ)的生物經(jīng)濟進行戰(zhàn)略布局。2018年，生物科技領(lǐng)域成果不斷，亮點紛呈：合成生物技術(shù)、基因編輯技術(shù)等前沿技術(shù)的應用范圍不斷拓展；新型DNA測序技術(shù)促進了生物資源的挖掘利用；光合作用等基礎(chǔ)研究成果帶動了產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展；多學科不斷交叉匯聚創(chuàng)造了高水平的創(chuàng)新。

1 國際重大戰(zhàn)略規(guī)劃和政策措施

1．1 促進生物技術(shù)發(fā)展相關(guān)政策規(guī)劃

在促進生物技術(shù)發(fā)展方面，各國在延續(xù)前期規(guī)劃的基礎(chǔ)上，近年來也發(fā)布了若干新的計劃。

美國總統(tǒng)府和國會均設(shè)有專門的生物技術(shù)委員會，從多個應用領(lǐng)域來資助生物科學的基礎(chǔ)研究和生物技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)。美國國立衛(wèi)生研究院主要投資與健康相關(guān)的生物技術(shù)研究，例如人類微生物組計劃；能源部和農(nóng)業(yè)部主要投資與糧食安全和能源危機相關(guān)的生物技術(shù)，例如美國農(nóng)業(yè)部通過“生物精煉、可再生化學品、生物基產(chǎn)品生產(chǎn)援助計劃”向以生物質(zhì)為原料的化學品和燃料項目提供1億美元貸款擔保［1］；國防部則對于合成生物學等新興技術(shù)進行前瞻布局，近期啟動了先進植物計劃、持續(xù)性水生生物傳感器、昆蟲盟友、生物停滯等多個生物技術(shù)相關(guān)的研究項目。美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）也參與了生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的調(diào)控和管理，2018年，F(xiàn)DA發(fā)布動植物生物技術(shù)創(chuàng)新行動計劃，支持動植物生物技術(shù)創(chuàng)新并促成該機構(gòu)公共衛(wèi)生領(lǐng)域的優(yōu)先事項［2］。

“歐盟科研框架計劃”將生物技術(shù)的未來發(fā)展納入重點規(guī)劃領(lǐng)域，例如第七框架計劃、地平線2020計劃等。2018年6月，歐盟委員會發(fā)布新一輪創(chuàng)新研發(fā)計劃——“地平線歐洲”（Horizon Europe）計劃提案，提出了2021—2027年的發(fā)展目標和行動路線，其三大核心之一的全球挑戰(zhàn)與產(chǎn)業(yè)競爭力部分與生物科技息息相關(guān)［3］。在配套設(shè)施方面，歐盟科研基礎(chǔ)設(shè)施戰(zhàn)略論壇部署工業(yè)生物技術(shù)的多學科研究和創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施，并將其納入歐盟2018科研設(shè)施路線圖。

英國一直都在不斷追求生物科學領(lǐng)域的卓越能力及其在全球的領(lǐng)先水平。2010年，英國生物技術(shù)與生物科學研究理事會（BBSRC）發(fā)布了英國未來發(fā)展生物技術(shù)的5年規(guī)劃《生物科學時代：2010—2015戰(zhàn)略計劃》，確定了食品安全、生物能源與工業(yè)生物技術(shù)，以及醫(yī)療衛(wèi)生基礎(chǔ)生物科學作為3個優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。2012年5月，BBSRC投入2．5億英鎊啟動生物科學投資計劃［4］。2017年4月，商務、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部（BEIS）投入3．19億英鎊用于支持未來五年的英國生物科學研究［5］。這兩項投資計劃都是旨在確保英國的國際競爭力，以及利用生物技術(shù)手段應對人口增長、化石能源替代和老齡化等全球挑戰(zhàn)。2018年9月，英國BBSRC發(fā)布指導英國生物科學發(fā)展方向的路線圖——《英國生物科學前瞻》，以應對21世紀糧食安全、清潔增長和人口健康等重大社會挑戰(zhàn)［6］，其主要內(nèi)容包括深化生物科學前沿發(fā)現(xiàn)、解決戰(zhàn)略挑戰(zhàn)和建立堅實基礎(chǔ)三個方面。

2018年9月，德國政府發(fā)布《高技術(shù)戰(zhàn)略2025》，明確了未來7年研究和創(chuàng)新政策的標志性目標和重點領(lǐng)域，提出12項具體任務以及相應的行動計劃和標志性里程碑［7］，其中與生物技術(shù)相關(guān)的包括與癌癥抗爭（國家10年抗癌計劃）、大幅減少環(huán)境中的塑料垃圾（生產(chǎn)易于銷售的生物塑料并完善塑料循環(huán)經(jīng)濟）、大規(guī)模中和工業(yè)溫室氣體（資助開發(fā)低碳工業(yè)流程和二氧化碳循環(huán)經(jīng)濟）、保護生物多樣性（啟動物種多樣性保護研究旗艦計劃）等。

2012年4月24日，俄羅斯發(fā)布的《俄羅斯聯(lián)邦至2020年生物技術(shù)發(fā)展綜合計劃》提出，俄羅斯將在2020年以前投入1．18萬億盧布（約合350億美元），優(yōu)先發(fā)展生物制藥和生物醫(yī)學、工業(yè)生物技術(shù)、生物能源、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)、食品生物技術(shù)、林業(yè)生物技術(shù)、環(huán)境生物技術(shù)和海洋生物技術(shù)；到2020年將俄羅斯的生物技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)值提高至占國家 GDP的1%［8］。2018年2月，俄羅斯政府出臺路線圖《2018—2020年生物技術(shù)和基因工程發(fā)展措施計劃》，確定了9大優(yōu)先領(lǐng)域的具體措施。與2012年的戰(zhàn)略相比，路線圖的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域中增加了發(fā)展生產(chǎn)潛力和生產(chǎn)合作、發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施以及基因工程三塊內(nèi)容，去掉了食品生物技術(shù)和海洋生物技術(shù)。

同期，我國由科技部牽頭，16部委于2018年3月共同啟動《國家生物技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》的編制工作，從頂層對生物技術(shù)未來發(fā)展進行中長期布局。

1．2 生物經(jīng)濟相關(guān)政策規(guī)劃

生物經(jīng)濟是繼農(nóng)業(yè)經(jīng)濟、工業(yè)經(jīng)濟、信息經(jīng)濟之后提出的一種全新經(jīng)濟形態(tài)，以生物資源和生物技術(shù)為基礎(chǔ)，對減緩氣候變化、解決全球危機、實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展有重要作用，將對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類生活產(chǎn)生深遠影響。近兩年，全球多個國家圍繞生物經(jīng)濟發(fā)展的各個方面進行不同程度的戰(zhàn)略布局。

經(jīng)合組織于2018年4月發(fā)布題為《面向可持續(xù)生物經(jīng)濟的政策挑戰(zhàn)》的研究報告，指出世界各國對生物經(jīng)濟的關(guān)注已從最初利益層面的關(guān)注發(fā)展到納入政策主流的重視［9］。

美國在綱領(lǐng)性戰(zhàn)略《國家生物經(jīng)濟藍圖》（2012年4月）的指導下，逐步細化各項規(guī)劃和舉措。例如，生物質(zhì)研究和發(fā)展委員會發(fā)布《生物經(jīng)濟計劃實施框架》，旨在解決先進的藻類系統(tǒng)、原料遺傳改良、原料生產(chǎn)和管理、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化和碳利用、運輸配送相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，以及可持續(xù)性等方面的知識和技術(shù)鴻溝［10］；能源部投入8000萬美元支持早期生物質(zhì)能源研發(fā)，致力于解決多種生物資源所面臨的各種技術(shù)問題［11］。

歐盟委員會自2012年發(fā)布《歐洲生物經(jīng)濟的可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》之后，已更新其生物經(jīng)濟戰(zhàn)略，發(fā)布題為《歐洲可持續(xù)發(fā)展生物經(jīng)濟：加強經(jīng)濟、社會和環(huán)境之間的聯(lián)系》的報告，旨在發(fā)展為歐洲社會、環(huán)境和經(jīng)濟服務的可持續(xù)和循環(huán)型生物經(jīng)濟［12］。這是歐盟委員會促進就業(yè)、增長和投資的重要舉措之一。同時，歐盟投資銀行宣布面向農(nóng)業(yè)和生物經(jīng)濟領(lǐng)域啟動一項新的融資舉措，金額近10億歐元。這一舉措得到歐洲戰(zhàn)略投資基金（European Fund for Strategic Investments，EFSI）的歐盟預算擔保。該基金還將增設(shè)一個側(cè)重于促進可持續(xù)農(nóng)業(yè)和更廣泛生物經(jīng)濟發(fā)展的部門［13］。歐盟生物產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟獲批的17個新項目計劃則負責為歐洲當前面臨的原料供應、優(yōu)化處理、新型生物基產(chǎn)品的商業(yè)化問題制定解決方案［14］。

2018年12月，英國 BEIS發(fā)布了題為《發(fā)展生物經(jīng)濟——改善民生及強化經(jīng)濟：至2030年國家生物經(jīng)濟戰(zhàn)略》的報告［15］。作為英國工業(yè)戰(zhàn)略的一部分，這項戰(zhàn)略旨在確保英國建立世界一流的生物經(jīng)濟體系，消除對有限土地資源的過分依賴，同時提高城市、鄉(xiāng)村和社區(qū)的生產(chǎn)力。

德國早于2011年和2013年分別提出了“國家生物經(jīng)濟研究戰(zhàn)略”——《國家研究戰(zhàn)略：生物經(jīng)濟 2030》［16］和“國家生物經(jīng)濟政策戰(zhàn)略”［17］，將發(fā)展生物經(jīng)濟作為國家戰(zhàn)略提出了總體目標和重點內(nèi)容。2016年年底，德國生物經(jīng)濟委員會就繼續(xù)發(fā)展“生物經(jīng)濟研究戰(zhàn)略2030”從加強生物制藥領(lǐng)域生物技術(shù)研發(fā)、重視從研究向應用轉(zhuǎn)化的合作項目資助、開展國際合作、建立國際生物經(jīng)濟平臺、能力建設(shè)和人才培養(yǎng)等五個方面提出了總體建議［18］。

與此同時，我國由發(fā)改委牽頭正在積極籌備制定生物經(jīng)濟領(lǐng)域的國家發(fā)展戰(zhàn)略；印度、馬來西亞等發(fā)展中國家也積極出臺生物經(jīng)濟相關(guān)戰(zhàn)略，制定相關(guān)的高新技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新政策；非洲和拉美地區(qū)各國雖然沒有明確的發(fā)展戰(zhàn)略，但也提出了發(fā)展愿景。

2 國際重要研究進展

生物科技領(lǐng)域的突破創(chuàng)新一次又一次地刷新了人類的認識，近兩年不僅首次誕生了體細胞克隆猴［19］、單染色體真核細胞［20］，構(gòu)建了首個哺乳動物細胞圖譜［21］，發(fā)現(xiàn)了新型光合作用［22］，且突破固有的生殖方式，實現(xiàn)了植物無性生殖［23，24］和哺乳動物孤雄生殖［25］。

1）以單分子測序為代表的第三代測序技術(shù)迅速興起，為生物資源挖掘利用提供支撐

基因測序技術(shù)經(jīng)過快速發(fā)展，已形成了以Pacific Biosciences（PacBio）公司（處于被 Illumina公司收購的流程）的 SMRT技術(shù)和 Oxford Nanopore Technologies公司的納米孔單分子技術(shù)為代表的第三代測序技術(shù)。憑借其在讀長和測序速度方面的優(yōu)勢，研究人員獲得了許多高質(zhì)量的基因組圖譜，包括烏拉爾圖小麥 A基因組、月季、甘蔗、罌粟、玉米等在內(nèi)的多種植物［26］。國際小麥基因組測序聯(lián)盟以制作面包的小麥為研究對象繪制了最完善的小麥基因組圖譜［27］。在動物基因組測序方面，研究人員結(jié)合 Illumina短讀長和PacBio長讀長測序技術(shù)，對考拉、金槍魚、小龍蝦、海蟾蜍、烏龜和鸚鵡等的基因組進行了全面解析，脊椎動物基因組計劃也發(fā)布了首批15個高質(zhì)量的參考基因組［28］。

2）對生物資源有機體運行機理的精準認知，為應對全球危機提供更優(yōu)解決方案

除了上述在作物基因編輯領(lǐng)域的研究成果，全球科學家在光合機理、增產(chǎn)抗病機理研究、分子設(shè)計育種、無融合生殖研究等方面都取得了重要突破。德國馬克斯普朗克生物化學研究所與日本大阪大學等機構(gòu)合作探明了光合復合體I的結(jié)構(gòu)和功能［29］，并與澳大利亞國立大學合作揭示了藍藻中使得光合作用效率提高的羧酶體的結(jié)構(gòu)形成機制［30］；美國伊利諾伊大學等機構(gòu)研究人員調(diào)整了煙草植物光合作用的細胞機制，使其光合效率提高40%［31］；中國科學院與其他機構(gòu)合作，首次揭示硅藻中與光合作用密切相關(guān)的捕光天線蛋白二聚體1．8埃的晶體結(jié)構(gòu)［32］，以及水稻高產(chǎn)高抗調(diào)控新機制［33］；美國加州大學戴維斯分校和中國農(nóng)業(yè)科學院研究人員通過基因改造技術(shù)，分別獨立構(gòu)建了水稻的無融合生殖體系［23，24］。

3）“建物致知”理念縱深發(fā)展，推動更廣泛的應用創(chuàng)新

以合成生物學研究為基礎(chǔ)的顛覆性前沿技術(shù)突破為科技和產(chǎn)業(yè)革命帶來巨大推動力。中國科學院研究團隊在國際上首次成功創(chuàng)建出含有單條染色體的酵母細胞［20］；同期，美國紐約大學研究人員也利用類似技術(shù)獲得擁有兩條染色體的酵母細胞［34］。加州理工學院 Elowitz團隊利用工程病毒蛋白酶在哺乳動物細胞中實現(xiàn)多種電路級功能［35］；麻省理工學院 Voigt教授團隊在活細胞內(nèi)構(gòu)建可編程基因序列邏輯電路［36］；華盛頓大學等機構(gòu)合作首次從頭設(shè)計合成一個蛋白抗癌藥物［37］。在應用方面，韓國科學技術(shù)研究所研究者開發(fā)了一種用于構(gòu)建高效細胞工廠的新型生物傳感器［38］；英國華威大學等機構(gòu)合作增強了合成電路在細胞中生產(chǎn)抗生素和其他有用化合物的潛力［39］；德國法蘭克福大學研究者成功設(shè)計出可生產(chǎn)全新天然產(chǎn)品的非核糖體肽合成酶［40］；美國Synlogic公司利用合成生物學開發(fā)益生菌“活體藥物”SYNB1618［41］和 SYNB1020［42］；加州大學河濱分校和斯坦福大學研究人員在酵母中從頭構(gòu)建了生物堿藥物那可丁的生物合成途徑［43］。

4）CRISPR相關(guān)研究熱點延續(xù)，應用領(lǐng)域大量擴展

CRISPR介導的基因編輯技術(shù)從一問世就備受矚目，幾年過去仍熱度不減，在多個應用領(lǐng)域展現(xiàn)巨大潛力，各國科學家對該技術(shù)的深入研究如火如荼。兩大國際頂尖研發(fā)團隊——美國博德研究所張峰團隊和加州大學伯克利分校Doudna團隊同期推出可檢測病毒感染［44，45］的全新系統(tǒng)；中國科學家領(lǐng)銜的國際研究團隊首次將人的亨廷頓突變基因?qū)胴i，構(gòu)建了更能準確模擬神經(jīng)退行性疾病的動物模型［46］；美國加州大學舊金山分校等機構(gòu)研究人員利用CRISPR技術(shù)來應對抗生素耐藥性［4］。在動植物基因編輯領(lǐng)域，中國科學院研究人員利用基因編輯技術(shù)取得多項成果，包括在家蠶絲腺和蠶繭中大量表達蜘蛛絲蛋白［48］；加速了野生植物的人工馴化［49］；實現(xiàn)了小麥、水稻及馬鈴薯的高效單堿基編輯［50］。

5）前沿新興技術(shù)發(fā)展迅猛，各國監(jiān)管步調(diào)不一

合成生物技術(shù)、基因編輯技術(shù)等前沿新興技術(shù)快速發(fā)展的同時，其潛在的安全風險也引起了各國政府和公眾的關(guān)注。2018年7月，歐洲法院（European Court of Justice，ECJ）裁決，包括基因編輯在內(nèi)的基因誘變技術(shù)應被視為轉(zhuǎn)基因技術(shù)（Genetically Modified Organism，GMO），原則上應接受歐盟轉(zhuǎn)基因相關(guān)法律的監(jiān)管。對比歐盟的嚴苛，美國監(jiān)管機構(gòu)對基因編輯技術(shù)幾乎沒有抵觸情緒，美國農(nóng)業(yè)部已宣布不會對基因編輯的創(chuàng)新進行監(jiān)管。加拿大、阿根廷和巴西等國則默認不含有外源DNA的基因編輯作物不受GMO框架監(jiān)管。仍處于歐盟體系內(nèi)的英國則已率先批準以試驗方式種植經(jīng)過基因編輯的亞麻薺。此外，對于基因組編輯技術(shù)應用于人類疾病的相關(guān)研究，全球多個國家都有相關(guān)的法律法規(guī)可循。歐洲大部分國家明令禁止將人類基因組編輯用于臨床；中國、日本、印度和愛爾蘭四國雖有禁令，但都不具有法律約束力；美國不允許聯(lián)邦資金資助人類胚胎修飾的研究，但沒有徹底的基因組編輯禁令［51］。

6）生物科技與計算機技術(shù)、人工智能等交叉融合，為第四次工業(yè)革命帶來新的機遇

近年來，人工智能迅速發(fā)展，應用領(lǐng)域不斷擴大。通過人工智能相關(guān)技術(shù)挖掘和利用新型遺傳資源、計算機輔助蛋白結(jié)構(gòu)預測和設(shè)計等越來越受重視，成為多學科交叉的前沿熱點領(lǐng)域。利用人工智能，美國能源部聯(lián)合基因組研究所研究人員發(fā)現(xiàn)近6000種新病毒［52］；合成生物學初創(chuàng)公司Zymergen加速工程菌改造和結(jié)果測試［53］；中國科學院研究團隊構(gòu)建出一系列新型酶蛋白，開啟了新一代生物制造［54］；英國牛津大學、德國杜塞爾多夫大學等機構(gòu)在預測酶活性方面取得了進展［55，56］。谷歌新推的人工智能“阿法折疊”（AlphaFold）程序可預測蛋白質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)；耶魯大學研究者采用谷歌算法揭示酶的復雜結(jié)構(gòu)和調(diào)控機制［57］。信息技術(shù)在生物科技領(lǐng)域的應用顯示了多學科交叉為人類解決諸多問題提供新模式的潛力。

3 啟示與建議

基于生物科技領(lǐng)域國際發(fā)展態(tài)勢，針對我國相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展規(guī)劃制定與實施監(jiān)管等提出以下建議：

1）順應國際產(chǎn)業(yè)變革大趨勢，完善生物經(jīng)濟發(fā)展配套政策

生物技術(shù)發(fā)展日新月異，在醫(yī)學、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)境等領(lǐng)域的應用也不斷擴展，為加快新舊動能轉(zhuǎn)換，順應全球生物經(jīng)濟新業(yè)態(tài)發(fā)展趨勢，我國應深入推進生物產(chǎn)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，不斷完善相關(guān)配套政策。具體來說，需要規(guī)范行業(yè)管理制度，鼓勵行業(yè)創(chuàng)新聯(lián)動，積極打造產(chǎn)業(yè)集群，構(gòu)建生物科技領(lǐng)域面向基礎(chǔ)研究、產(chǎn)業(yè)應用和公共服務的創(chuàng)新發(fā)展平臺，完善稅收制度，結(jié)合金融服務手段，做好社會資本正確引導，為生物產(chǎn)業(yè)長足發(fā)展提供全方位支撐。

2）發(fā)揮大國體量優(yōu)勢，切實推進科技強國建設(shè)

隨著我國建設(shè)創(chuàng)新型國家這一戰(zhàn)略目標的確定，對生物科技領(lǐng)域的科研投入不斷加大，我國研究人員取得了多項舉世矚目的成就，多個研究領(lǐng)域已從跟跑逐步向并跑和領(lǐng)跑階段發(fā)展。未來我國需要繼續(xù)發(fā)揮學習模仿和創(chuàng)新利用的后發(fā)優(yōu)勢，以及大國體量的優(yōu)勢，重視跟跑過程中可能對未來科研領(lǐng)跑產(chǎn)生作用的成果積累，積極進行二次創(chuàng)新。同時系統(tǒng)布局，合理設(shè)計基礎(chǔ)研發(fā)項目，不斷提高原始創(chuàng)新能力，攻克核心關(guān)鍵技術(shù)，通過創(chuàng)新驅(qū)動切實提高我國的核心競爭力。

3）加強前沿新興技術(shù)的監(jiān)管立法工作，建立生物安全與風險防控機制

對于基因組編輯等前沿新興技術(shù)發(fā)展過程中可能涉及的生物安全問題，我國應加強相關(guān)的監(jiān)管立法工作，針對薄弱環(huán)節(jié)建立生物安全評估和風險防控機制，做好與國際政策制定及監(jiān)管機構(gòu)、研究機構(gòu)，以及同行之間的對話與交流，促進國際通用監(jiān)管標準的制定與協(xié)調(diào)，建立持續(xù)的國際論壇以促進廣泛的對話，并收集各方意見與觀點，為決策者的政策制定提供信息和建議。