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2016年生命科学发展回顾与展望
来源:学习时报    作者:王小理    2017-02-22 00:23:36

  多年来,生命科学一直处于高速发展阶段,点状的重大科技突破已经演变汇聚成当前江河奔涌、百川归海之势。2016年,生命科学发展的内在特征进一步凸显,具有深远影响力的事件接连发生。

  精准调控生命过程已逐渐成为可能

  在重大和经典生物学问题上,取得一系列重大进展。阐释生命起源、免疫系统工作原理、生殖遗传、发育演化、细胞命运调控、脑精细结构与功能等热点前沿领域有理论和认知突破。首次实验合成“核糖聚合酶24-3”的RNA分子,有力支持了诺奖得主沃特·吉尔博特1986年提出的生命起源“RNA世界假说”。进一步揭开免疫系统秘密,发现先天性免疫系统和适应性免疫系统的关键组分相互协同发挥作用,为免疫系统起源和重大疾病治疗提供了新视角。利用先进成像技术,获得人类全部46条染色体的详细三维结构,为理解染色体的结构和功能关系提供了新可能。重新设计大肠杆菌遗传密码获成功,向设计新的生物属性迈出重要一步。第一次从实验室编程小鼠胚胎干细胞和诱导多能干细胞中,培育出功能完整的卵母细胞。最大规模地鉴定人类大脑神经性元不同亚型获得成功,为绘制人脑神经元基因活性奠定基础。

  变革性生物学工具推陈出新,提供了科学研究的有力武器。新的基因编辑工具、单细胞分析技术、超高分辨率生物成像技术、光遗传学技术、高通量基因组测序等使能工具,能以更加精细、直观、可逆、高通量方式,精准分析、调控生命过程中的生物大分子结构和动态,将生物现象的分析提升到新的维度。特别是以CRISPR/Cas9为代表的第三代基因编辑技术,可快速、高效地对DNA序列进行编辑,获得“改写生命剧本的神笔”。自2013年以来,该技术风靡全球,3次入围顶级学术刊物《科学》杂志评选的年度十大突破。除技术本身的升级外,基因编辑技术的快速临床应用推进和潜在权益冲突引人注目。中国科学家宣布已于2016年7月通过伦理审批,在全球首次利用CRISPR/ Cas9技术进行人体临床试验,英国《自然》杂志对其评价为“领先于世界其他正在进行的基因编辑试验”。成功制造出最简单的人造合成细胞Syn3.0,这不仅代表研发出一个用于探索生命核心功能的新的工具,也代表着对生命体的工程化改造进入新阶段。

  学科交叉汇聚加速,应用型技术创新成果丰硕

  生物科学与数理统计科学、物质科学、工程科学、信息科学等学科交叉汇聚趋势加速,开辟了新的技术方向及应用领域。主要变现为三个方面。

  技术交叉汇聚,推进上述变革性新型生物学工具研发。特别是生物过程监测和超微观察方面工具,越来越需要整合纳米科学、材料科学方面的理论概念和技术,例如具有较高技术整合度的人体器官芯片技术。英国和美国的研究团队公布世界上第一款造价2600万美元的“人体芯片”,使用了真正的人类器官组织来模拟人体实际的生理机能。

  技术交叉汇聚,加速生物科技成果的转化应用进程,巨大市场前景可期。3D生物打印、基因组医学、动植物快速定向育种、肿瘤免疫治疗、精准医疗、生物大数据与人工智能、生态修复、生物基能源等颠覆性应用的前景日益明朗。例如,在短短的数年之间,3D生物打印技术已经取得了显著进步。美国维克森林大学创建了一种ITOP生物打印机,打印出全球首个动物体可存活3D打印耳朵。可以预见,未来3D生物打印技术将在医疗健康行业体现出巨大的潜力。

  基于生物学仿生的黑科技,快速跨界进入其他领域,形成潜在的战略性科技、经济增长点。DNA存储、生物计算模型、脑型芯片、人造器官、生物机器人等持续引发关注。微软公司宣布在DNA存储技术方面创造新纪录,存储容量已达200MB。东芝公司开发出一款可用于人工智能深度学习的脑型芯片,这款1.9毫米的脑型芯片,集成3.2万个像神经细胞一样的电子回路,可完成人工智能所需的大量信息数据的复杂计算、处理和深度学习任务。模仿象鼻鱼的视网膜结构、开发设计出人造感光增强器,将提高人们的夜视能力。通过对鳐鱼的生理机能进行逆向工程,科技界用活体细胞创造出了长16毫米、重10克的全球首个生物合成机器人——“机器鳐鱼”。

  重大事件展现生命科技的巨大影响力

  从注重成果评选的报道,如《科学》的十大突破、《麻省理工学院科技评论》十大突破性技术、世界经济论坛年度十大新兴技术,到领军人物评选,如诺贝尔奖评选、“科学突破奖”评选,从生物隐私讨论到专利所有权争夺,国际社会已经从多个角度见证了生命科技的巨大影响力。

  2016年还见证了其他可能深远影响人类经济社会生活的重大生物科技及相关事件的发生。寨卡病毒疫情、高致病禽流感疫情等重大传染病如影随形,驱动相关防护性科技研发突破不断;首次发现抗粘杆菌素的超级细菌,加快耐药性认识和开发新药变得非常迫切;“国际大脑计划”启动,神经科学的时代已经到来;全球25名基因研究领域的科学家联名宣布将启动“人类基因组编写计划”,有望媲美“人类基因组计划”。我国《国家创新驱动发展战略纲要》发布,生命科学位列其中;美国“国家癌症登月计划”和“国家微生物组计划”启动,英国《2016年合成生物学战略计划》、欧洲《海洋生物技术战略研究及创新路线图》公布,势必引发新一轮产业变革;美国发布《推动生物技术产品监管体系现代化国家战略》,这是其三十年来第一次对主要监管机构在生物技术产品监管方面的角色和责任进行全面总结,科技管理“放管服”取得新进展;微软、谷歌、IBM、“脸谱”等科技巨头跨界进入生物医疗领域,社会投资蓬勃发展等。但同时,生物技术的安全性依然是社会公众最为关注的问题。百位诺贝尔奖得主联署公开信,要求绿色和平组织不再反对转基因生物;相关智库持续开展基因驱动生态风险、基因工程作物安全性及合成生物学时代的生物防御的研究评估等。

  2017的期冀:“生物科技发展观”2.0版呼之欲出

  从生物科技自身发展看,生命科学与物质科学、工程科学和计算科学等学科汇聚交叉的重要性和可能带来的颠覆性应用已经毋庸置疑。生命科学研发工具和理念的进步,必将逐步揭开生物生老病死等现象的奥秘,复杂生命过程的微观、介观层面的规律将进一步得到展现,可望提出生物学新理论,将生物学从描述性科学转变到预测性科学时代。从应用需求看,生物科技不仅与人类健康相关,也与经济发展、社会治理、生态文明、国防安全密切相关,且呈加速之势,但生命科学与哲学社会科学交叉的重要性尚未得到应有之重视。

  将“生物科技发展观”从主要围绕人类社会基本物质利益需求的1.0版本,升级到围绕人类社会可持续发展的“生物科技发展观”2.0版本已经变得越发清晰。需要坚持创新发展和共享发展的发展理念,从源头上推进科技原创;坚持协调发展的理念,推进科技经济社会的同步发力、共同受益;需要坚守绿色发展的理念,避免技术的滥用和误用。任何范式的转变都需要科学信念的坚守,也需要变革诸多不合时宜关系的勇气和智慧,这将是包括2017年在内未来一段时期的主旋律。

  知识链接

  3D生物打印的核心技术是生物砖(Biosynsphere),即一种新型的精准的具有仿生功能的干细胞培养体系。它以含种子细胞(干细胞、已分化细胞等)、生长因子和营养成分等组成的“生物墨汁”,结合其他材料层层打印出产品,经打印后培育处理,形成有生理功能的组织结构。3D生物打印,截然不同于使用钛合金、生物陶瓷、高分子聚合物等原材料的工业3D打印,比如打印假牙、假肢甚至汽车、房屋等。两者根本性的区别在于活性,即3D生物打印是打印出含有细胞成分并具有生物学活性的产品。

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