生物科技的应用场景和发展趋势

  • 发布者: 宋柳
  • 创建时间: 2022-09-22
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      【摘要】近20年来,生命科学和生物技术快速发展,基因编辑、合成生物学、脑科学、干细胞、生物信息存储、生物育种等前沿科学技术发展给人类生产生活带来诸多红利。一方面,生命科学的发展深刻地改变了人类对生命本质及其运行规律的认识;另一方面,生物技术的广泛应用引领了医学、农业、食品、能源、环境等领域的科技进步,前所未有地提升了人们的生活质量,为人类健康和经济社会发展作出了重要贡献。

     【关键词】生命科学 生物科技 生物技术 【中图分类号】F426 【文献标识码】A

生物技术快速发展,颠覆性成果与应用不断涌现

       21世纪初“人类基因组计划”完成,生命科学进入到组学与系统生物学的新阶段,大量复杂生命过程与疾病机制被阐明,基因编辑、合成生物学、脑科学、干细胞技术以及生物技术与人工智能的结合,正在谱写崭新的生物科学篇章。近20年来,生命科学和生物技术快速发展,呈现出前沿生物技术探索加快、颠覆性成果与应用不断涌现的趋势。

       基因编辑的精准性进一步提升,应用潜力不断增强,多种基因编辑工具得到开发。比如,CRISPR/Cas3基因编辑系统可以在人胚胎干细胞中实现大片段的基因敲除,编辑效率达到13%—60%。新型基因编辑技术SATI能够使早衰小鼠寿命延长45%。CRISPR活细胞荧光原位杂交(CRISPRLiveFISH)技术可以实时观测活细胞中基因组编辑的动态变化。超精确基因编辑工具Prime Editor能够不再依赖DNA模版即可实现单碱基自由转换和多碱基增删,有望修正89%的已知致病性人类遗传突变。

       合成生物学利用蛋白质设计开发全新蛋白质功能,在治疗人类疾病方面取得系列进展。美国科学家构建出能放置在活细胞中并调控细胞功能的人工蛋白开关,从头设计合成出的抗癌蛋白大幅提升了抗癌效果并彻底消除了天然蛋白毒副作用。此外,合成生物学通过设计非天然生物系统,极大扩展了生命的可能性。以色列研究人员创制出可固定二氧化碳的大肠杆菌,使其从异养生物变成自养生物。美国研究人员设计出一种无细胞酶反应体系,可以摆脱细胞限制,使输入的生物质能高产量、高生产率和高滴度地转化为所需的产品。

       干细胞技术推动人造器官和再生医学加速发展。日本大阪大学于2020年完成全球首例诱导多功能干细胞培养角膜的移植手术。奥地利科学院分子生物技术研究所等机构利用人体多功能干细胞培育出“高仿真”人体血管类器官,促进了血管疾病研究。此外,微型芯片小肠、迷你心脏、重建胸腺等人造器官也相继出现。与此同时,干细胞的新类型和新机制也不断被发现。日本研究团队利用多光子显微镜,捕捉到小鼠胎儿脑组织中神经干细胞的形状变化,发现神经干细胞能灵活地再生柱状形态。中国科学院分子细胞科学卓越创新中心的研究人员在小鼠身上发现一群新型细胞Procr+,并证实Procr+细胞是胰岛中的成体干细胞。

       脑科学基础研究不断取得重大突破。美国威斯康星大学麦迪逊分校研究人员在猴子脑中植入电极,将疑似与意识相关的区域精确锁定到中央外侧丘脑的微小区域。美国184个不同机构的360多位科学家合作绘制出全球首个大脑皮层基因图谱,揭示了大脑灰质遗传结构。同时,光遗传学技术的发展也为脑科学研究提供了有力工具。该技术通过基因改造神经细胞,使其拥有对光产生反应的蛋白质。当光照射到细胞时,这些神经细胞里的电子活动就会被触发,因此可用光来控制神经细胞的电活动。

       生命图谱绘制范围日益扩大,精准度不断提升。生命图谱绘制正逐渐从分子图谱扩展到细胞图谱,为人们多层次理解生命系统、认识和治疗疾病提供支持。美国科学家对果蝇大脑进行了纳米级成像,之后利用谷歌云张量处理器(TPU)重建了高达40万亿像素的果蝇完整大脑图像。德国科学家也重建了小鼠大脑皮层神经网络,揭示了迄今最大的哺乳动物神经连接组。此外,德、法、英、美等国的科学家也分别绘制出更加完整的人类肝细胞图谱、肾细胞图谱、秀丽隐杆线虫神经图谱等。

       生物技术与信息技术融合发展,生物存储与计算技术成为突破性的革命技术。合成生物学的进步推动生物分子成为数据存储的优质载体,以DNA存储为代表的生物存储与计算技术取得系列突破。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的科学家使用32条DNA链创建出一种可以存储和处理数据的DNA生物计算系统。美国斯坦福大学开发出低能耗类脑人造突触,实现运算、存储同步。3D 细胞打印、人机智能等颠覆性技术的发展,将成为经济社会、生命健康、绿色可持续发展等领域的新动力。

       生物育种技术的发展有效提高了粮食等重要农产品的生产能力和质量。1983年,世界上首次报道获得了生物工程作物——转基因烟草再生植株。1986年,首批经生物工程处理的棉花被批准进行田间试验。矮化育种、杂种优势利用推动了种业技术的重大变革;基因编辑技术可以精确、快速地改善农作物的生物性状,推动农业变革;基因编辑、全基因组选择等生物技术与大数据、人工智能等现代信息技术交叉融合,有效地推动了精准化、高效化、智能化的种业技术革命,驱动了现代育种技术的快速迭代。

生物科技发展给人类带来诸多红利

       现代生物科学发展与人类生活息息相关,已广泛应用于粮食、健康、人口、能源、环境等领域,对于解决人类面临的粮食安全、重大疾病、能源危机、环境污染等重大问题,推动经济社会发展,改善人民生活质量,发挥着日益显著的作用。

       生物技术在农业领域的应用,带动现代生态农业发展。一是生物防治病虫害和消除污染。微生物的生物催化活性广泛,利用富集培养法几乎可以找到任何一种降解含毒有机化合物的微生物,因此具有降解作用的微生物及其酶制剂成为当前消除污染的有力手段。在农业领域中使用生物防治、生物固氮等新技术,也有助于改变农业过分依赖石油化工的局面。在农业生产中,可以运用转基因手段将不同种属植物的基因分子进行基因拼接,创造出优质高效新品种。同时,该技术对于果实延熟保鲜,提高作物的抗寒抗盐性也有很大应用空间。二是转基因作物研发。随着植物基因工程关键技术的突破,转基因作物得到有效推广,现有种植转基因作物的国家覆盖人口总量超过世界人口的一半。通过转基因技术研发成功的转基因黄金大米,在大米中转入胡萝卜素,让贫困地区的孩子能够改善维生素A缺乏症;转植酸酶基因玉米解决了植酸中的磷不可利用的问题,提高了玉米饲料的营养,减少了动物磷排泄污染;美国已上市的高油酸大豆食用油可以代替氢化油,避免了反式脂肪的问题;中国科学家培育的转基因抗黄瓜花叶病毒(CMV)的番茄“8805R”、甜椒“双丰R”等取得显著的农业经济效益。

       生物技术在医疗健康领域的应用,大幅提高了人类生命健康水平。一是生物制药、医疗新技术开发。生物制药主要是应用基因工程、细胞工程等的研究成果,为医疗诊断及临床医疗救治提供技术支持,如:可以通过改变动物基因产生人体所需的胰岛素,为糖尿病患者提供安全有效的诊治;通过特异性结合研究制造出靶向药物;对中药植物组织细胞进行人工培养生产中药的有效成分;等等。部分生物技术的出现将会给医疗卫生界带来颠覆性变革,如试管婴儿技术给很多家庭带来了福音。此外,生物技术对于濒危物种保护也提供了极大助益。

       二是基因治疗。基因疗法临床试验加速推进,为攻克人类重大疾病带来希望。如CRISPR-Cas9基因疗法被直接用于临床试验,并成功治愈遗传性致盲疾病“莱伯氏先天性黑蒙症”。2020年6月,我国成功实施了多基因编辑猪—恒河猴异种肝、心、肾器官移植。美国研究人员使用CRISPR基因编辑技术剔除了非人灵长类动物基因组中一种与人类免疫缺陷病毒密切相关的猴免疫缺陷病毒,为治愈艾滋病带来了曙光。在新冠肺炎疫情中,基于CRISPR基因编辑技术开发的检测工具可以在1小时内测出新冠病毒;利用合成基因组学平台对新冠病毒进行化学合成和重新设计,有助于快速研究新冠病毒及其变异情况。

       三是合成生物治疗。在癌症治疗方面,2020年6月,美国一家微生物医药公司(Synlogic Therapeutics)的研究人员基于大肠杆菌开发出用于治疗癌症的生物学疗法。2020年9月,英国伦敦癌症研究学院研究人员开发出一种基于机器学习和群体遗传学的肿瘤亚克隆重建方法。2020年11月,中国合生基因公司基于合成生物技术开发的基因治疗产品SynOV1.1获得美国食品药品监督管理局的临床试验许可,有望用于治疗包括中晚期肝癌在内的甲胎蛋白(AFP)阳性实体瘤。

       四是干细胞治疗。2019年3月,一名被称为“伦敦病人”的艾滋病患者接受干细胞移植治疗后,在很长的观察期内都未再检测到活跃的艾滋病病毒,证据表明这名病人是继“柏林病人”后第二名被治愈的艾滋病患者。2020年6月,中国陆军军医大学研究人员培育出一种具有抗菌、抗毒、抗炎和组织修复能力的“三抗一修”间充质干细胞。

       五是脑疾病治疗。脑疾病发生机制与诊治策略也有新的探索。2020年4月,中国科学院脑神经科学研究所研究人员运用靶向核糖核酸(RNA)的CRISPR/CasRx系统,首次在成体中实现视神经节细胞的再生,恢复了永久性视力损伤模型小鼠的视力,并将帕金森模型小鼠的运动障碍逆转到接近正常小鼠的水平。脑科学的快速发展还推动了脑机接口技术的加速运用。2020年1月,浙江大学研究人员利用高精度的手术机器人在一位72岁高位截瘫志愿者脑内植入犹他阵列电极,实现用意念控制机械手臂完成进食、饮水和握手等一系列上肢重要功能运动。

       生物技术在食品领域的应用,丰富了人类食品原料来源。一是基因改良。利用现代生物技术对农产品性状进行改良,对作物的颜色、形状、大小、营养成分、产量进行调整。如科学家通过修改合成乙烯的基因,有效减少了内源乙烯含量,延长了水果保鲜时间。此外,转基因生物疫苗技术也得到开发,通过生物技术将相关基因导入到诸如香蕉等水果中,通过食用此类水果即可获取相应疫苗,使转基因水果获得生物免疫功能。二是发酵菌类。从几千年前传统发酵食品如酱油、食醋、腐乳等的萌生,到现代生物技术的高速发展革新,食品生物技术有着悠久的历史传承。将生物技术应用于改良加工食品过程的发酵菌类,例如,科学家通过基因重组手段将编码木聚糖酶和葡聚糖酶的基因转入酵母菌体内,使得酵母菌具有降解阿拉伯木聚糖和葡聚糖的能力,有效解决了啤酒酿造中的棘手难题。三是食品检测。食品生物技术检测与传统化学物理方法相结合,具有操作简单、结果精准、成本低廉的优势,能够有效检测出有害微生物、食品上残留的农药,避免食品安全隐患问题,为我国未来的食品安全提供保障。四是酶工程技术。该技术利用传统突变技术或分子生物学技术,使蛋白质上的氨基酸发生突变,以改变蛋白质的化学性质和功能。在食品领域,充分应用酶工程技术,能够有效地催化食品,促使食品等物质进一步的转化,从而满足人们日益增长的需求。在食品工业中酶最大的用途是淀粉加工,其次是乳品加工、果汁加工、烘烤食品及啤酒发酵等。目前还发展出了多种类别的酶,包括促进蛋白质消化的酶(菠萝蛋白酶)、促进纤维素消化的酶(纤维素酶)、促进乳糖消化的酶(乳糖酶)和促进脂肪消化的酶(脂肪酶)等。

        生物技术在能源领域的应用,有利于解决人类面临的能源危机。一是可再生能源。生物质具有用途广泛、废物再生利用、经济效益显著以及产量充足四大特性。由于全球能源储备(石油、煤、天然气等)的有限性,自然界中可再生的生物资源不可忽视。生物质能源依据来源的不同可以分为林业废弃物、农业废弃物、城镇垃圾和工业有机废弃物等,由于其具有绿色、低碳、清洁、可再生等特点,在发展节能环保、清洁生产、低碳减排的绿色经济中有着广泛应用。在欧美等发达国家,生物质能发电已形成非常成熟的产业,成为一些国家重要的发电和供热方式。二是清洁能源。发展清洁能源是未来能源业建设的重要方向,而生物质能源作为可再生清洁能源,同时也是我国仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源,约占世界能源消费的10.0%。生物质能源对于节能减排具有重要意义,生物质发电不仅能实现“碳中和”,在我国实现“碳达峰”后还可替代部分煤电,成为电网调峰的重要力量。

       生物技术在环境保护领域的应用,有助于建立良好的生态环境。一是环境监测。现代生物技术建立了新的快速准确监测与评价环境的有效方法,如人们可将聚合酶链式反应(PCR技术)应用于环境检测过程中,能够有效缩短反应流程耗时并提升致病菌检测的准确性。该技术甚至可对水体中多样杆菌进行准确检测,极大地提升了水样检测的准确性和效率。此外,环境DNA技术在水生生物监测中可用于监测特定物种如濒危物种和入侵物种、调查生物多样性、评估资源量及监测物种的遗传多样性等。二是污染治理。污水中有毒物质的成分十分复杂,包括各种酚类、氰化物、重金属等,微生物能够通过自身的生命活动将污水中的有毒物质转化为有益的无毒物质,使污水得到净化。固体废物的生物降解原理应用于城市垃圾的“生物反应堆”,与堆肥、焚烧、热处理等方法相比,具有成本低、操作简单、易管理等优点。生物技术还可以应用于环境修复,利用生物独特的分解有机物质的能力,清除环境污染物,目前已经有利用沙漠植物修复科威特石油污染土壤的研究工作。

       生物技术在工业、制造业领域的应用,进一步提高了生产效率和质量。一是工业应用。工业生物技术利用微生物来生产许多重要的产品,例如生物燃料、酶制剂、抗生素等。通过工业菌种的特殊代谢路径,提高了反应的专一性,一方面有利于节能,另一方面产生的废弃物量也较低,因此也被称为绿色工业。此外,生物工程可用于一系列可持续材料生产,如由纤维素制成的生态塑料,在外观上与普通塑料并无太大差别,但会在几年内完全降解,并且在焚烧时不会留下任何残留物。在工业生物技术碳回收方面,中国科研人员在全球首次实现从一氧化碳到蛋白质的合成。该技术利用天然存在的一氧化碳和氮源(氨)大规模生物合成蛋白质(乙醇梭菌蛋白,一种新型饲料蛋白资源),大幅提高了反应速度。专家估算,应用该技术后,以工业化生产1000万吨乙醇梭菌蛋白(蛋白含量83%)计,相当于2800万吨进口大豆(蛋白含量30%)当量,可减少二氧化碳排放2.5亿吨。二是制造业应用。中国科学家的突破性成果——人工合成淀粉带来了生产范式的变革。人工淀粉合成代谢途径(ASAP)实现了在无细胞系统中利用二氧化碳和氢气合成人造淀粉的重大进展。人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下,按照目前技术参数,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。该技术的应用使淀粉生产方式的生物工业制造成为可能。

       生物科技的发展是近现代人类文明发展的缩影。当前,生物科技的新一轮变革,正广泛渗透到人类经济、社会的各个领域。与其他领域高科技相比,生物科技是关于生物和生命存在、发展、演化的科技,是关于人自身内在指向的科技。在未来,随着生物科技的革命性突破,人类认识生物、改造利用自然的能力将提升到新高度,人与生物将达到更高水平的和谐共生。

(作者为中国科学院大学长聘教授、公共政策与管理学院副院长、博导)

【参考文献】

①张先恩:《世界生命科学格局中的中国》,《中国科学院院刊》,2022年第5期。

②刘小玲、雷蓉:《从入选中国科学十大进展看合成生物学的发展》,《科技中国》,2022年第4期。