生物技術(shù)與信息技術(shù)的融合發(fā)展

摘?要：信息技術(shù)有著采集、處理、儲(chǔ)存、整合、挖掘、解析等功能，在與生物技術(shù)不斷融合的過(guò)程中，促使生物技術(shù)向可計(jì)算、可調(diào)控、可定量、可預(yù)測(cè)的方向發(fā)展，驅(qū)動(dòng)生物科學(xué)的研究進(jìn)入了更新的范疇。同時(shí)，生物體中神經(jīng)元的信息交換和處理、基因的表達(dá)與調(diào)控為信息技術(shù)的發(fā)展提供了更多的思路。生物技術(shù)與信息技術(shù)的融合發(fā)展是社會(huì)和時(shí)代發(fā)展的需要，是工程發(fā)展的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：生物技術(shù);信息技術(shù);融合發(fā)展

在智能化和大數(shù)據(jù)的時(shí)代背景下，海量數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長(zhǎng)給信息技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)，信息技術(shù)的計(jì)算、存儲(chǔ)和分析得到爆發(fā)式的增長(zhǎng)，隨之而來(lái)的能耗、效能挑戰(zhàn)使得信息技術(shù)急需尋求新的發(fā)展方向。生物技術(shù)神經(jīng)形態(tài)和DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為信息技術(shù)的發(fā)展提供了新的方向，成為了國(guó)際前沿的研究方向。信息技術(shù)的革新從生物結(jié)構(gòu)中尋找思路成為了當(dāng)前活躍的新興研究領(lǐng)域，未來(lái)20年，生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展將進(jìn)入最重要的時(shí)間窗口，發(fā)展前景十分廣闊。

一、生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展的意義

（一）是新一輪科技革命的重要驅(qū)動(dòng)力

1994年，物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr-dinger）發(fā)表的《生命是什么？活細(xì)胞的物理學(xué)觀》一書(shū)中關(guān)于“是什么讓生命系統(tǒng)似乎與已知的物理學(xué)定律相悖”這一問(wèn)題啟發(fā)了弗朗西斯·克里克（Francis Crick）等物理學(xué)家對(duì)于生命科學(xué)的研究，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，開(kāi)啟了現(xiàn)代生命科學(xué)的大門(mén)。隨后，物理學(xué)家在進(jìn)一步的探索中提出了信息論和控制論，信息技術(shù)和生物技術(shù)以此為起點(diǎn)沿著各自的軌道不斷發(fā)展。之后，1990年人類(lèi)基因組計(jì)劃的啟動(dòng)讓人們從信息論、控制論、系統(tǒng)論的角度對(duì)生命科學(xué)的發(fā)展規(guī)律得到了新的認(rèn)識(shí)，拉開(kāi)了信息技術(shù)與生物技術(shù)融合發(fā)展的序幕。

在生物技術(shù)驅(qū)動(dòng)信息技術(shù)的發(fā)展之前，信息技術(shù)在生物技術(shù)開(kāi)發(fā)和生命科學(xué)研究等領(lǐng)域已經(jīng)有了規(guī)?；膽?yīng)用，生命科學(xué)研究中的重要工具就是生物信息學(xué)，像日本建立的DNA數(shù)據(jù)庫(kù)、美國(guó)的生物技術(shù)信息中心、歐洲生物信息學(xué)研究所是發(fā)達(dá)國(guó)家依據(jù)生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展的前景建立的三大數(shù)據(jù)庫(kù)。人類(lèi)基因組計(jì)劃的開(kāi)展使得代謝組、基因組、蛋白質(zhì)組、轉(zhuǎn)錄組等生命科學(xué)組數(shù)據(jù)急劇增長(zhǎng)，信息技術(shù)在生命科學(xué)研究鄰域有了更大規(guī)模的應(yīng)用。隨著信息技術(shù)的推進(jìn)，生物技術(shù)逐漸向著系統(tǒng)化、工程化和信息化的方向發(fā)展，和向可計(jì)算、可定量、可調(diào)控、可預(yù)測(cè)的循環(huán)模式躍升，生命科學(xué)研究也進(jìn)入了“數(shù)據(jù)密集型科學(xué)發(fā)現(xiàn)”的第四范式時(shí)代。

信息技術(shù)與生物技術(shù)的融合，改變了生命科學(xué)“實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)”的發(fā)展方式，向著“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”轉(zhuǎn)型。信息技術(shù)的發(fā)展得益于生物體的處理過(guò)程，受到了更多的啟發(fā)，是信息技術(shù)發(fā)展的有力支撐。近年來(lái)，產(chǎn)業(yè)界和科技界逐漸將目光投向了生物啟發(fā)計(jì)算、DNA存儲(chǔ)、神經(jīng)形態(tài)芯片等新的交叉技術(shù)領(lǐng)域。相互推動(dòng)、齊頭并進(jìn)是當(dāng)前生物技術(shù)和信息技術(shù)融合發(fā)展的新方式，成為了新一輪科技革命的重要驅(qū)動(dòng)力。

（二）是大國(guó)和創(chuàng)新企業(yè)的戰(zhàn)略選擇

早在2001年，美國(guó)各界就高度關(guān)注信息技術(shù)與生物技術(shù)融合的發(fā)展趨勢(shì)。在《會(huì)聚觀》《21世紀(jì)的新生物學(xué)》等報(bào)告中都提出了生物技術(shù)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力就是信息技術(shù)等的會(huì)聚。隨之在一些重大計(jì)劃像“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)計(jì)劃”“腦科學(xué)計(jì)劃”等計(jì)劃中廣泛地融入了信息技術(shù)手段。同時(shí)，美國(guó)的信息技術(shù)聯(lián)盟對(duì)于“半導(dǎo)體合成生物學(xué)”這一鄰域十分關(guān)注，并實(shí)行了重點(diǎn)布局，這些信息技術(shù)與生物技術(shù)融合的發(fā)展舉措，加快了生命科學(xué)解決方案的開(kāi)發(fā)，催生了信息技術(shù)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析的需求。除此之外，各大型信息技術(shù)企業(yè)也紛紛和生物技術(shù)企業(yè)或醫(yī)藥投資者展開(kāi)了戰(zhàn)略合作，像美國(guó)麻省理工學(xué)院與Sunovion、拜耳、巴斯夫等醫(yī)藥制藥公司開(kāi)展合作和交流，再比如，泛林公司作為半導(dǎo)體設(shè)備龍頭企業(yè)，已經(jīng)在合成生物學(xué)研究等方面做好了戰(zhàn)略布局，還有像谷歌、微軟等大型信息技術(shù)企業(yè)也加強(qiáng)了和大型生物技術(shù)企業(yè)的戰(zhàn)略合作。

（三）催生更多的新興布局空間

生物技術(shù)和信息技術(shù)的融合發(fā)展，像美國(guó)的“腦科學(xué)計(jì)劃”“人體微生物組計(jì)劃”等項(xiàng)目，也將促進(jìn)人工智能、健康、工業(yè)等更多的新興布局空間。生命組學(xué)與半導(dǎo)體領(lǐng)域的交叉融合，將促進(jìn)生物電子細(xì)胞、CAD/CAM等的發(fā)展;與通信領(lǐng)域的交叉融合，將帶來(lái)移動(dòng)醫(yī)療、可穿戴設(shè)備、電子處方等的發(fā)展;與互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的交叉融合，將帶來(lái)人機(jī)交互、遠(yuǎn)程醫(yī)療等的發(fā)展;與腦科學(xué)領(lǐng)域的交叉融合，將促進(jìn)計(jì)算神經(jīng)科學(xué)、3D生物學(xué)等的發(fā)展。

二、生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展帶來(lái)的變革

（一）新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)

下級(jí)結(jié)構(gòu)形成上級(jí)結(jié)構(gòu)，上層設(shè)計(jì)約束下層單元，這是生命系統(tǒng)和信息系統(tǒng)共有的特征。器官是由組織形成，組織是由細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞是由分子組成，同樣地，在信息系統(tǒng)中，互聯(lián)網(wǎng)的作用的發(fā)揮得益于計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)由模塊組成，模塊由邏輯門(mén)組成，邏輯門(mén)由晶體管組成，二者的結(jié)構(gòu)、功能、系統(tǒng)組成有一定的可比性，部分與整體、運(yùn)行于調(diào)控、結(jié)構(gòu)與功能的規(guī)律認(rèn)知必將引領(lǐng)生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展的新科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

（二）新的產(chǎn)業(yè)模式

生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展在促進(jìn)催生更多的新興布局空間的意義下，也必將驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)新模式的形成，改變傳統(tǒng)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)的發(fā)展模式，帶來(lái)新模式、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)品的創(chuàng)新，帶來(lái)像分子影像、生物線路、核酸界面、體外診斷、生物服務(wù)等新興產(chǎn)業(yè)模式。

（三）新的技術(shù)發(fā)明

生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域催生了技術(shù)新發(fā)明，生命信息的計(jì)算、存儲(chǔ)和感知，啟發(fā)了基因合成DNA存儲(chǔ)、人工交互、系統(tǒng)生物學(xué)分析等技術(shù)的開(kāi)發(fā)，催生了生物納米物聯(lián)網(wǎng)、生物傳感器等新技術(shù)。也帶動(dòng)了合成生物學(xué)開(kāi)放語(yǔ)言、生物學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等設(shè)施的開(kāi)發(fā)，使得現(xiàn)代生物的形態(tài)得到更大程度的豐富。“會(huì)聚技術(shù)”發(fā)展的動(dòng)力和源頭也將在生物技術(shù)與信息技術(shù)的不斷融合發(fā)展中找到更多的思路，帶來(lái)“涌現(xiàn)效應(yīng)”。

（四）新的制造能力

生物技術(shù)工程的發(fā)展得益于信息技術(shù)的引入，在細(xì)胞制造、DNA合成等方面有了強(qiáng)有力的支撐工具，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的突破。比如在DNA的合成上借鑒了半導(dǎo)體技術(shù)，像第二代DNA合成儀的開(kāi)發(fā)通過(guò)半導(dǎo)體技術(shù)引入了基于硅片的噴墨式合成儀器、物理掩膜法原位合成儀器、噴墨式打印DNA原位合成儀器等技術(shù)，這一領(lǐng)域也將走出類(lèi)似“摩爾定律”的路徑。細(xì)胞制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形成“細(xì)胞設(shè)計(jì)”“細(xì)胞制造”“細(xì)胞測(cè)試”三大環(huán)節(jié)，需要不同企業(yè)協(xié)同分工，也將帶來(lái)細(xì)胞制造的成本的下降。這些方面的突破，也為信息技術(shù)的帶來(lái)了新的空間。信息系統(tǒng)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)向“小規(guī)?！薄案咝堋薄凹?xì)胞啟發(fā)”方向發(fā)展，“生物—半導(dǎo)體混合系統(tǒng)”也相比于傳統(tǒng)的電子設(shè)備具有前所未有的能力。

（五）新的健康理念

“生物—社會(huì)—心理—環(huán)境”的醫(yī)學(xué)模式在生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展之下有了更加強(qiáng)大的技術(shù)支撐，促進(jìn)該種醫(yī)學(xué)模式以“健康”為中心取代“疾病”為中心;以“全方位干預(yù)健康影響因素”取代“單一要素防控”;以“實(shí)踐優(yōu)勢(shì)”取代“理論優(yōu)勢(shì)”;以“治已病”取代“治未病”;以“維護(hù)全生命周期健康”取代“服務(wù)部分人群”;以“社會(huì)整體聯(lián)動(dòng)”取代“依靠衛(wèi)生健康系統(tǒng)”等，全面利用健康主動(dòng)管理、健康狀態(tài)辨識(shí)、健康制動(dòng)促進(jìn)、健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等技術(shù)支持“每個(gè)人都是自己健康的第一責(zé)任人”這一理念，構(gòu)建起支撐各年齡階段的、各社會(huì)群體的健康信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息共享，推動(dòng)預(yù)防、治療、康復(fù)的一體化發(fā)展，早日實(shí)現(xiàn)健康管理“一人一方案”“一人一路徑”的個(gè)性化、精準(zhǔn)化、數(shù)字化的新健康理念。

（六）新的環(huán)境要素

細(xì)胞、組織、器官、系統(tǒng)，再到土壤、水源、大氣，包括近人體空間的小環(huán)境。不論是人體的內(nèi)環(huán)境，還是傳統(tǒng)的外部環(huán)境抑或是環(huán)境“新要素”，都是人體健康的重要環(huán)境要素，基于生物技術(shù)與信息技術(shù)的融合，使得這些在以往研究較少的環(huán)境“新要素”與傳統(tǒng)的環(huán)境要素結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)、新場(chǎng)景、和新體系，充分研究新環(huán)境要素在社會(huì)安全、人體安康、家庭安居中的更多作用。

三、我國(guó)生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展的現(xiàn)狀

我國(guó)生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，依舊存在布局上的短板，過(guò)于依賴(lài)國(guó)外生命科學(xué)信息分析和采集儀器，在生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展帶來(lái)的模式和范式等方面缺少進(jìn)一步的認(rèn)知，前沿技術(shù)布局的系統(tǒng)性還有待深入。比如在DNA存儲(chǔ)這一領(lǐng)域，依舊還面臨著諸多的技術(shù)問(wèn)題，現(xiàn)有的編解碼方式及糾錯(cuò)機(jī)制、生物技術(shù)、隨機(jī)存取等有待進(jìn)一步的改進(jìn)。

四、促進(jìn)生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展的建議

（一）布局前沿引領(lǐng)技術(shù)

以類(lèi)似“摩爾定律”的性能升級(jí)路徑為導(dǎo)向，對(duì)3D生物學(xué)分析和仿真技術(shù)、DNA存儲(chǔ)與計(jì)算技術(shù)、人機(jī)智能交互技術(shù)、細(xì)胞半導(dǎo)體界面等前沿技術(shù)領(lǐng)域，制定關(guān)鍵技術(shù)戰(zhàn)略發(fā)展路線圖，采取工程化的模式，在戰(zhàn)略發(fā)展路線圖的基礎(chǔ)上實(shí)施前沿技術(shù)的布局，實(shí)現(xiàn)自主“所有”。

（二）開(kāi)發(fā)關(guān)鍵共性工具

通過(guò)對(duì)環(huán)境和體系的模擬驗(yàn)證、儀器的分析、軟件的設(shè)計(jì)，針對(duì)跨尺度、高緯度、多模態(tài)的生命信息采集工具，仿真感知所需基礎(chǔ)模塊、原件等，率先布局開(kāi)發(fā)關(guān)鍵共性工具，支持發(fā)展所需，在工具的循環(huán)中，驅(qū)動(dòng)工具開(kāi)發(fā)能力的提升。

（三）構(gòu)建使能技術(shù)平臺(tái)

構(gòu)建基于人工智能和大數(shù)據(jù)的智能化細(xì)胞制造平臺(tái)、生命健康數(shù)據(jù)平臺(tái)等使能技能平臺(tái)，支持協(xié)同“所創(chuàng)”，推動(dòng)理念的融合，促進(jìn)會(huì)聚范式的形成，實(shí)現(xiàn)工程協(xié)同和技術(shù)集成。

五、結(jié)語(yǔ)

信息技術(shù)與生物技術(shù)的融合發(fā)展為改善和創(chuàng)造新的技術(shù)、解決技術(shù)難題、促進(jìn)技術(shù)改革提供了新的原理和方式。生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展是新一輪科技革命的重要驅(qū)動(dòng)力，是大國(guó)和創(chuàng)新企業(yè)的戰(zhàn)略選擇，有助于催生更多的新興布局空間。信息技術(shù)與生物技術(shù)的融合發(fā)展將會(huì)帶來(lái)科學(xué)新發(fā)現(xiàn)、技術(shù)新發(fā)明、健康新理念和環(huán)境新要素等的變革，信息技術(shù)與生物技術(shù)的融合發(fā)展已成為國(guó)際前端研究方向，其發(fā)展前景廣闊，必然會(huì)帶來(lái)顛覆性的技術(shù)與應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：李海洋（1999—?），男，漢族，湖北荊州人，本科，研究方向：生物工程、生物醫(yī)藥。