生物科技的應用場景和發(fā)展趨勢

劉 云

生物技術快速發(fā)展，顛覆性成果與應用不斷涌現(xiàn)

21 世紀初“人類基因組計劃”完成，生命科學進入到組學與系統(tǒng)生物學的新階段，大量復雜生命過程與疾病機制被闡明，基因編輯、合成生物學、腦科學、干細胞技術以及生物技術與人工智能的結(jié)合，正在譜寫嶄新的生物科學篇章。近20年來，生命科學和生物技術快速發(fā)展，呈現(xiàn)出前沿生物技術探索加快、顛覆性成果與應用不斷涌現(xiàn)的趨勢。

基因編輯的精準性進一步提升，應用潛力不斷增強，多種基因編輯工具得到開發(fā)。比如，CRISPR/Cas3基因編輯系統(tǒng)可以在人胚胎干細胞中實現(xiàn)大片段的基因敲除，編輯效率達到13%—60%。新型基因編輯技術SATI 能夠使早衰小鼠壽命延長45%。CRISPR 活細胞熒光原位雜交（CRISPRLiveFISH）技術可以實時觀測活細胞中基因組編輯的動態(tài)變化。超精確基因編輯工具Prime Editor 能夠不再依賴DNA 模版即可實現(xiàn)單堿基自由轉(zhuǎn)換和多堿基增刪，有望修正89%的已知致病性人類遺傳突變。

合成生物學利用蛋白質(zhì)設計開發(fā)全新蛋白質(zhì)功能，在治療人類疾病方面取得系列進展。美國科學家構(gòu)建出能放置在活細胞中并調(diào)控細胞功能的人工蛋白開關，從頭設計合成出的抗癌蛋白大幅提升了抗癌效果并徹底消除了天然蛋白毒副作用。此外，合成生物學通過設計非天然生物系統(tǒng)，極大擴展了生命的可能性。以色列研究人員創(chuàng)制出可固定二氧化碳的大腸桿菌，使其從異養(yǎng)生物變成自養(yǎng)生物。美國研究人員設計出一種無細胞酶反應體系，可以擺脫細胞限制，使輸入的生物質(zhì)能高產(chǎn)量、高生產(chǎn)率和高滴度地轉(zhuǎn)化為所需的產(chǎn)品。

干細胞技術推動人造器官和再生醫(yī)學加速發(fā)展。日本大阪大學于2020年完成全球首例誘導多功能干細胞培養(yǎng)角膜的移植手術。奧地利科學院分子生物技術研究所等機構(gòu)利用人體多功能干細胞培育出“高仿真”人體血管類器官，促進了血管疾病研究。此外，微型芯片小腸、迷你心臟、重建胸腺等人造器官也相繼出現(xiàn)。與此同時，干細胞的新類型和新機制也不斷被發(fā)現(xiàn)。日本研究團隊利用多光子顯微鏡，捕捉到小

鼠胎兒腦組織中神經(jīng)干細胞的形狀變化，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)干細胞能靈活地再生柱狀形態(tài)。中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心的研究人員在小鼠身上發(fā)現(xiàn)一群新型細胞Procr+，并證實Procr+細胞是胰島中的成體干細胞。

腦科學基礎研究不斷取得重大突破。美國威斯康星大學麥迪遜分校研究人員在猴子腦中植入電極，將疑似與意識相關的區(qū)域精確鎖定到中央外側(cè)丘腦的微小區(qū)域。美國184 個不同機構(gòu)的360 多位科學家合作繪制出全球首個大腦皮層基因圖譜，揭示了大腦灰質(zhì)遺傳結(jié)構(gòu)。同時，光遺傳學技術的發(fā)展也為腦科學研究提供了有力工具。該技術通過基因改造神經(jīng)細胞，使其擁有對光產(chǎn)生反應的蛋白質(zhì)。當光照射到細胞時，這些神經(jīng)細胞里的電子活動就會被觸發(fā)，因此可用光來控制神經(jīng)細胞的電活動。

生命圖譜繪制范圍日益擴大，精準度不斷提升。生命圖譜繪制正逐漸從分子圖譜擴展到細胞圖譜，為人們多層次理解生命系統(tǒng)、認識和治療疾病提供支持。美國科學家對果蠅大腦進行了納米級成像，之后利用谷歌云張量處理器（TPU）重建了高達40 萬億像素的果蠅完整大腦圖像。德國科學家也重建了小鼠大腦皮層神經(jīng)網(wǎng)絡，揭示了迄今最大的哺乳動物神經(jīng)連接組。此外，德、法、英、美等國的科學家也分別繪制出更加完整的人類肝細胞圖譜、腎細胞圖譜、秀麗隱桿線蟲神經(jīng)圖譜等。

生物技術與信息技術融合發(fā)展，生物存儲與計算技術成為突破性的革命技術。合成生物學的進步推動生物分子成為數(shù)據(jù)存儲的優(yōu)質(zhì)載體，以DNA 存儲為代表的生物存儲與計算技術取得系列突破。中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的科學家使用32 條DNA 鏈創(chuàng)建出一種可以存儲和處理數(shù)據(jù)的DNA 生物計算系統(tǒng)。美國斯坦福大學開發(fā)出低能耗類腦人造突觸，實現(xiàn)運算、存儲同步。3D 細胞打印、人機智能等顛覆性技術的發(fā)展，將成為經(jīng)濟社會、生命健康、綠色可持續(xù)發(fā)展等領域的新動力。

生物育種技術的發(fā)展有效提高了糧食等重要農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)能力和質(zhì)量。1983年，世界上首次報道獲得了生物工程作物——轉(zhuǎn)基因煙草再生植株。1986年，首批經(jīng)生物工程處理的棉花被批準進行田間試驗。矮化育種、雜種優(yōu)勢利用推動了種業(yè)技術的重大變革；基因編輯技術可以精確、快速地改善農(nóng)作物的生物性狀，推動農(nóng)業(yè)變革；基因編輯、全基因組選擇等生物技術與大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代信息技術交叉融合，有效地推動了精準化、高效化、智能化的種業(yè)技術革命，驅(qū)動了現(xiàn)代育種技術的快速迭代。

生物科技發(fā)展給人類帶來諸多紅利

現(xiàn)代生物科學發(fā)展與人類生活息息相關，已廣泛應用于糧食、健康、人口、能源、環(huán)境等領域，對于解決人類面臨的糧食安全、重大疾病、能源危機、環(huán)境污染等重大問題，推動經(jīng)濟社會發(fā)展，改善人民生活質(zhì)量，發(fā)揮著日益顯著的作用。

生物技術在農(nóng)業(yè)領域的應用，帶動現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展。一是生物防治病蟲害和消除污染。微生物的生物催化活性廣泛，利用富集培養(yǎng)法幾乎可以找到任何一種降解含毒有機化合物的微生物，因此具有降解作用的微生物及其酶制劑成為當前消除污染的有力手段。在農(nóng)業(yè)領域中使用生物防治、生物固氮等新技術，也有助于改變農(nóng)業(yè)過分依賴石油化工的局面。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可以運用轉(zhuǎn)基因手段將不同種屬植物的基因分子進行基因拼接，創(chuàng)造出優(yōu)質(zhì)高效新品種。同時，該技術對于果實延熟保鮮，提高作物的抗寒抗鹽性也有很大應用空間。二是轉(zhuǎn)基因作物研發(fā)。隨著植物基因工程關鍵技術的突破，轉(zhuǎn)基因作物得到有效推廣，現(xiàn)有種植轉(zhuǎn)基因作物的國家覆蓋人口總量超過世界人口的一半。通過轉(zhuǎn)基因技術研發(fā)成功的轉(zhuǎn)基因黃金大米，在大米中轉(zhuǎn)入胡蘿卜素，讓貧困地區(qū)的孩子能夠改善維生素A 缺乏癥；轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米解決了植酸中的磷不可利用的問題，提高了玉米飼料的營養(yǎng)，減少了動物磷排泄污染；美國已上市的高油酸大豆食用油可以代替氫化油，避免了反式脂肪的問題；中國科學家培育的轉(zhuǎn)基因抗黃瓜花葉病毒（CMV）的番茄“8805R”、甜椒“雙豐R”等取得顯著的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益。

生物技術在醫(yī)療健康領域的應用，大幅提高了人類生命健康水平。一是生物制藥、醫(yī)療新技術開發(fā)。生物制藥主要是應用基因工程、細胞工程等的研究成果，為醫(yī)療診斷及臨床醫(yī)療救治提供技術支持，如：可以通過改變動物基因產(chǎn)生人體所需的胰島素，為糖尿病患者提供安全有效的診治；通過特異性結(jié)合研究制造出靶向藥物；對中藥植物組織細胞進行人工培養(yǎng)生產(chǎn)中藥的有效成分；等等。部分生物技術的出現(xiàn)將會給醫(yī)療衛(wèi)生界帶來顛覆性變革，如試管嬰兒技術給很多家庭帶來了福音。此外，生物技術對于瀕危物種保護也提供了極大助益。

二是基因治療。基因療法臨床試驗加速推進，為攻克人類重大疾病帶來希望。如CRISPR-Cas9 基因療法被直接用于臨床試驗，并成功治愈遺傳性致盲疾病“萊伯氏先天性黑蒙癥”。2020年6 月，我國成功實施了多基因編輯豬—恒河猴異種肝、心、腎器官移植。美國研究人員使用CRISPR 基因編輯技術剔除了非人靈長類動物基因組中一種與人類免疫缺陷病毒密切相關的猴免疫缺陷病毒，為治愈艾滋病帶來了曙光。在新冠肺炎疫情中，基于CRISPR 基因編輯技術開發(fā)的檢測工具可以在1 小時內(nèi)測出新冠病毒；利用合成基因組學平臺對新冠病毒進行化學合成和重新設計，有助于快速研究新冠病毒及其變異情況。

三是合成生物治療。在癌癥治療方面，2020年6 月，美國一家微生物醫(yī)藥公司（Synlogic Therapeutics）的研究人員基于大腸桿菌開發(fā)出用于治療癌癥的生物學療法。2020年9 月，英國倫敦癌癥研究學院研究人員開發(fā)出一種基于機器學習和群體遺傳學的腫瘤亞克隆重建方法。2020年11 月，中國合生基因公司基于合成生物技術開發(fā)的基因治療產(chǎn)品SynOV1.1 獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局的臨床試驗許可，有望用于治療包括中晚期肝癌在內(nèi)的甲胎蛋白（AFP）陽性實體瘤。

四是干細胞治療。2019年3 月，一名被稱為“倫敦病人”的艾滋病患者接受干細胞移植治療后，在很長的觀察期內(nèi)都未再檢測到活躍的艾滋病病毒，證據(jù)表明這名病人是繼“柏林病人”后第二名被治愈的艾滋病患者。2020年6 月，中國陸軍軍醫(yī)大學研究人員培育出一種具有抗菌、抗毒、抗炎和組織修復能力的“三抗一修”間充質(zhì)干細胞。

五是腦疾病治療。腦疾病發(fā)生機制與診治策略也有新的探索。2020年4 月，中國科學院腦神經(jīng)科學研究所研究人員運用靶向核糖核酸（RNA）的CRISPR/CasRx 系統(tǒng)，首次在成體中實現(xiàn)視神經(jīng)節(jié)細胞的再生，恢復了永久性視力損傷模型小鼠的視力，并將帕金森模型小鼠的運動障礙逆轉(zhuǎn)到接近正常小鼠的水平。腦科學的快速發(fā)展還推動了腦機接口技術的加速運用。2020年1 月，浙江大學研究人員利用高精度的手術機器人在一位72 歲高位截癱志愿者腦內(nèi)植入猶他陣列電極，實現(xiàn)用意念控制機械手臂完成進食、飲水和握手等一系列上肢重要功能運動。

生物技術在食品領域的應用，豐富了人類食品原料來源。一是基因改良。利用現(xiàn)代生物技術對農(nóng)產(chǎn)品性狀進行改良，對作物的顏色、形狀、大小、營養(yǎng)成分、產(chǎn)量進行調(diào)整。如科學家通過修改合成乙烯的基因，有效減少了內(nèi)源乙烯含量，延長了水果保鮮時間。此外，轉(zhuǎn)基因生物疫苗技術也得到開發(fā)，通過生物技術將相關基因?qū)氲街T如香蕉等水果中，通過食用此類水果即可獲取相應疫苗，使轉(zhuǎn)基因水果獲得生物免疫功能。二是發(fā)酵菌類。從幾千年前傳統(tǒng)發(fā)酵食品如醬油、食醋、腐乳等的萌生，到現(xiàn)代生物技術的高速發(fā)展革新，食品生物技術有著悠久的歷史傳承。將生物技術應用于改良加工食品過程的發(fā)酵菌類，例如，科學家通過基因重組手段將編碼木聚糖酶和葡聚糖酶的基因轉(zhuǎn)入酵母菌體內(nèi)，使得酵母菌具有降解阿拉伯木聚糖和葡聚糖的能力，有效解決了啤酒釀造中的棘手難題。三是食品檢測。食品生物技術檢測與傳統(tǒng)化學物理方法相結(jié)合，具有操作簡單、結(jié)果精準、成本低廉的優(yōu)勢，能夠有效檢測出有害微生物、食品上殘留的農(nóng)藥，避免食品安全隱患問題，為我國未來的食品安全提供保障。四是酶工程技術。該技術利用傳統(tǒng)突變技術或分子生物學技術，使蛋白質(zhì)上的氨基酸發(fā)生突變，以改變蛋白質(zhì)的化學性質(zhì)和功能。在食品領域，充分應用酶工程技術，能夠有效地催化食品，促使食品等物質(zhì)進一步的轉(zhuǎn)化，從而滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求。在食品工業(yè)中酶最大的用途是淀粉加工，其次是乳品加工、果汁加工、烘烤食品及啤酒發(fā)酵等。目前還發(fā)展出了多種類別的酶，包括促進蛋白質(zhì)消化的酶（菠蘿蛋白酶）、促進纖維素消化的酶（纖維素酶）、促進乳糖消化的酶（乳糖酶）和促進脂肪消化的酶（脂肪酶）等。

生物技術在能源領域的應用，有利于解決人類面臨的能源危機。一是可再生能源。生物質(zhì)具有用途廣泛、廢物再生利用、經(jīng)濟效益顯著以及產(chǎn)量充足四大特性。由于全球能源儲備（石油、煤、天然氣等）的有限性，自然界中可再生的生物資源不可忽視。生物質(zhì)能源依據(jù)來源的不同可以分為林業(yè)廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、城鎮(zhèn)垃圾和工業(yè)有機廢棄物等，由于其具有綠色、低碳、清潔、可再生等特點，在發(fā)展節(jié)能環(huán)保、清潔生產(chǎn)、低碳減排的綠色經(jīng)濟中有著廣泛應用。在歐美等發(fā)達國家，生物質(zhì)能發(fā)電已形成非常成熟的產(chǎn)業(yè)，成為一些國家重要的發(fā)電和供熱方式。二是清潔能源。發(fā)展清潔能源是未來能源業(yè)建設的重要方向，而生物質(zhì)能源作為可再生清潔能源，同時也是我國僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，約占世界能源消費的10.0%。生物質(zhì)能源對于節(jié)能減排具有重要意義，生物質(zhì)發(fā)電不僅能實現(xiàn)“碳中和”，在我國實現(xiàn)“碳達峰”后還可替代部分煤電，成為電網(wǎng)調(diào)峰的重要力量。

生物技術在環(huán)境保護領域的應用，有助于建立良好的生態(tài)環(huán)境。一是環(huán)境監(jiān)測?，F(xiàn)代生物技術建立了新的快速準確監(jiān)測與評價環(huán)境的有效方法，如人們可將聚合酶鏈式反應（PCR 技術）應用于環(huán)境檢測過程中，能夠有效縮短反應流程耗時并提升致病菌檢測的準確性。該技術甚至可對水體中多樣桿菌進行準確檢測，極大地提升了水樣檢測的準確性和效率。此外，環(huán)境DNA 技術在水生生物監(jiān)測中可用于監(jiān)測特定物種如瀕危物種和入侵物種、調(diào)查生物多樣性、評估資源量及監(jiān)測物種的遺傳多樣性等。二是污染治理。污水中有毒物質(zhì)的成分十分復雜，包括各種酚類、氰化物、重金屬等，微生物能夠通過自身的生命活動將污水中的有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有益的無毒物質(zhì)，使污水得到凈化。固體廢物的生物降解原理應用于城市垃圾的“生物反應堆”，與堆肥、焚燒、熱處理等方法相比，具有成本低、操作簡單、易管理等優(yōu)點。生物技術還可以應用于環(huán)境修復，利用生物獨特的分解有機物質(zhì)的能力，清除環(huán)境污染物，目前已經(jīng)有利用沙漠植物修復科威特石油污染土壤的研究工作。

生物技術在工業(yè)、制造業(yè)領域的應用，進一步提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。一是工業(yè)應用。工業(yè)生物技術利用微生物來生產(chǎn)許多重要的產(chǎn)品，例如生物燃料、酶制劑、抗生素等。通過工業(yè)菌種的特殊代謝路徑，提高了反應的專一性，一方面有利于節(jié)能，另一方面產(chǎn)生的廢棄物量也較低，因此也被稱為綠色工業(yè)。此外，生物工程可用于一系列可持續(xù)材料生產(chǎn)，如由纖維素制成的生態(tài)塑料，在外觀上與普通塑料并無太大差別，但會在幾年內(nèi)完全降解，并且在焚燒時不會留下任何殘留物。在工業(yè)生物技術碳回收方面，中國科研人員在全球首次實現(xiàn)從一氧化碳到蛋白質(zhì)的合成。該技術利用天然存在的一氧化碳和氮源（氨）大規(guī)模生物合成蛋白質(zhì)（乙醇梭菌蛋白，一種新型飼料蛋白資源），大幅提高了反應速度。專家估算，應用該技術后，以工業(yè)化生產(chǎn)1000 萬噸乙醇梭菌蛋白（蛋白含量83%）計，相當于2800 萬噸進口大豆（蛋白含量30%）當量，可減少二氧化碳排放2.5 億噸。二是制造業(yè)應用。中國科學家的突破性成果——人工合成淀粉帶來了生產(chǎn)范式的變革。人工淀粉合成代謝途徑（ASAP）實現(xiàn)了在無細胞系統(tǒng)中利用二氧化碳和氫氣合成人造淀粉的重大進展。人工合成淀粉的效率約為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)淀粉的8.5 倍。在充足能量供給的條件下，按照目前技術參數(shù)，理論上1 立方米大小的生物反應器年產(chǎn)淀粉量相當于我國5 畝玉米地的年產(chǎn)淀粉量。該技術的應用使淀粉生產(chǎn)方式的生物工業(yè)制造成為可能。

生物科技的發(fā)展是近現(xiàn)代人類文明發(fā)展的縮影。當前，生物科技的新一輪變革，正廣泛滲透到人類經(jīng)濟、社會的各個領域。與其他領域高科技相比，生物科技是關于生物和生命存在、發(fā)展、演化的科技，是關于人自身內(nèi)在指向的科技。在未來，隨著生物科技的革命性突破，人類認識生物、改造利用自然的能力將提升到新高度，人與生物將達到更高水平的和諧共生。