【摘要】近20年來，生命科學和生物技術快速發展，基因編輯、合成生物學、腦科學、干細胞、生物信息存儲、生物育種等前沿科學技術發展給人類生產生活帶來諸多紅利。一方面，生命科學的發展深刻地改變了人類對生命本質及其運行規律的認識；另一方面，生物技術的廣泛應用引領了醫學、農業、食品、能源、環境等領域的科技進步，前所未有地提升了人們的生活質量，為人類健康和經濟社會發展作出了重要貢獻。

【關鍵詞】生命科學 生物科技 生物技術 【中圖分類號】F426 【文獻標識碼】A

生物技術快速發展，顛覆性成果與應用不斷涌現

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展，呈現出前沿生物技術探索加快、顛覆性成果與應用不斷涌現的趨勢。

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。比如，CRISPR/Cas3基因編輯系統可以在人胚胎干細胞中實現大片段的基因敲除，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模版即可實現單堿基自由轉換和多堿基增刪，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設計開發全新蛋白質功能，在治療人類疾病方面取得系列進展。美國科學家構建出能放置在活細胞中并調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，極大擴展了生命的可能性。以色列研究人員創制出可固定二氧化碳的大腸桿菌，使其從異養生物變成自養生物。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，使輸入的生物質能高產量、高生產率和高滴度地轉化為所需的產品。

干細胞技術推動人造器官和再生醫學加速發展。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。與此同時，干細胞的新類型和新機制也不斷被發現。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干細胞的形狀變化，發現神經干細胞能靈活地再生柱狀形態。中國科學院分子細胞科學卓越創新中心的研究人員在小鼠身上發現一群新型細胞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域精確鎖定到中央外側丘腦的微小區域。美國184個不同機構的360多位科學家合作繪制出全球首個大腦皮層基因圖譜，揭示了大腦灰質遺傳結構。同時，光遺傳學技術的發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細胞，使其擁有對光產生反應的蛋白質。當光照射到細胞時，這些神經細胞里的電子活動就會被觸發，因此可用光來控制神經細胞的電活動。

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、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網絡，揭示了迄今最大的哺乳動物神經連接組。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、秀麗隱桿線蟲神經圖譜等。

生物技術與信息技術融合發展，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據存儲的優質載體，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鏈創建出一種可以存儲和處理數據的DNA生物計算系統。美國斯坦福大學開發出低能耗類腦人造突觸，實現運算、存儲同步。3D?細胞打印、人機智能等顛覆性技術的發展，將成為經濟社會、生命健康、綠色可持續發展等領域的新動力。

生物育種技術的發展有效提高了糧食等重要農產品的生產能力和質量。1983年，世界上首次報道獲得了生物工程作物——轉基因煙草再生植株。1986年，首批經生物工程處理的棉花被批準進行田間試驗。矮化育種、雜種優勢利用推動了種業技術的重大變革；基因編輯技術可以精確、快速地改善農作物的生物性狀，推動農業變革；基因編輯、全基因組選擇等生物技術與大數據、人工智能等現代信息技術交叉融合，有效地推動了精準化、高效化、智能化的種業技術革命，驅動了現代育種技術的快速迭代。

生物科技發展給人類帶來諸多紅利

現代生物科學發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、環境污染等重大問題，推動經濟社會發展，改善人民生活質量，發揮著日益顯著的作用。

生物技術在農業領域的應用，帶動現代生態農業發展。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。在農業領域中使用生物防治、生物固氮等新技術，也有助于改變農業過分依賴石油化工的局面。在農業生產中，可以運用轉基因手段將不同種屬植物的基因分子進行基因拼接，創造出優質高效新品種。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。二是轉基因作物研發。隨著植物基因工程關鍵技術的突破，轉基因作物得到有效推廣，現有種植轉基因作物的國家覆蓋人口總量超過世界人口的一半。通過轉基因技術研發成功的轉基因黃金大米，在大米中轉入胡蘿卜素，讓貧困地區的孩子能夠改善維生素A缺乏癥；轉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，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”等取得顯著的農業經濟效益。

生物技術在醫療健康領域的應用，大幅提高了人類生命健康水平。一是生物制藥、醫療新技術開發。生物制藥主要是應用基因工程、細胞工程等的研究成果，為醫療診斷及臨床醫療救治提供技術支持，如：可以通過改變動物基因產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生產中藥的有效成分；等等。部分生物技術的出現將會給醫療衛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基因編輯技術開發的檢測工具可以在1小時內測出新冠病毒；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，美國一家微生物醫藥公司（Synlogic Therapeutics）的研究人員基于大腸桿菌開發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的基因治療產品SynOV1.1獲得美國食品藥品監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，在很長的觀察期內都未再檢測到活躍的艾滋病病毒，證據表明這名病人是繼“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”間充質干細胞。

五是腦疾病治療。腦疾病發生機制與診治策略也有新的探索。2020年4月，中國科學院腦神經科學研究所研究人員運用靶向核糖核酸（RNA）的CRISPR/CasRx系統，首次在成體中實現視神經節細胞的再生，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到接近正常小鼠的水平。腦科學的快速發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植入猶他陣列電極，實現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。利用現代生物技術對農產品性狀進行改良，對作物的顏色、形狀、大小、營養成分、產量進行調整。如科學家通過修改合成乙烯的基因，有效減少了內源乙烯含量，延長了水果保鮮時間。此外，轉基因生物疫苗技術也得到開發，通過生物技術將相關基因導入到諸如香蕉等水果中，通過食用此類水果即可獲取相應疫苗，使轉基因水果獲得生物免疫功能。二是發酵菌類。從幾千年前傳統發酵食品如醬油、食醋、腐乳等的萌生，到現代生物技術的高速發展革新，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入酵母菌體內，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化學物理方法相結合，具有操作簡單、結果精準、成本低廉的優勢，能夠有效檢測出有害微生物、食品上殘留的農藥，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。該技術利用傳統突變技術或分子生物學技術，使蛋白質上的氨基酸發生突變，以改變蛋白質的化學性質和功能。在食品領域，充分應用酶工程技術，能夠有效地催化食品，促使食品等物質進一步的轉化，從而滿足人們日益增長的需求。在食品工業中酶最大的用途是淀粉加工，其次是乳品加工、果汁加工、烘烤食品及啤酒發酵等。目前還發展出了多種類別的酶，包括促進蛋白質消化的酶（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。生物質具有用途廣泛、廢物再生利用、經濟效益顯著以及產量充足四大特性。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。生物質能源依據來源的不同可以分為林業廢棄物、農業廢棄物、城鎮垃圾和工業有機廢棄物等，由于其具有綠色、低碳、清潔、可再生等特點，在發展節能環保、清潔生產、低碳減排的綠色經濟中有著廣泛應用。在歐美等發達國家，生物質能發電已形成非常成熟的產業，成為一些國家重要的發電和供熱方式。二是清潔能源。發展清潔能源是未來能源業建設的重要方向，而生物質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%。生物質能源對于節能減排具有重要意義，生物質發電不僅能實現“碳中和”，在我國實現“碳達峰”后還可替代部分煤電，成為電網調峰的重要力量。

生物技術在環境保護領域的應用，有助于建立良好的生態環境。一是環境監測。現代生物技術建立了新的快速準確監測與評價環境的有效方法，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，環境DNA技術在水生生物監測中可用于監測特定物種如瀕危物種和入侵物種、調查生物多樣性、評估資源量及監測物種的遺傳多樣性等。二是污染治理。污水中有毒物質的成分十分復雜，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轉化為有益的無毒物質，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、易管理等優點。生物技術還可以應用于環境修復，利用生物獨特的分解有機物質的能力，清除環境污染物，目前已經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、制造業領域的應用，進一步提高了生產效率和質量。一是工業應用。工業生物技術利用微生物來生產許多重要的產品，例如生物燃料、酶制劑、抗生素等。通過工業菌種的特殊代謝路徑，提高了反應的專一性，一方面有利于節能，另一方面產生的廢棄物量也較低，因此也被稱為綠色工業。此外，生物工程可用于一系列可持續材料生產，如由纖維素制成的生態塑料，在外觀上與普通塑料并無太大差別，但會在幾年內完全降解，并且在焚燒時不會留下任何殘留物。在工業生物技術碳回收方面，中國科研人員在全球首次實現從一氧化碳到蛋白質的合成。該技術利用天然存在的一氧化碳和氮源（氨）大規模生物合成蛋白質（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，以工業化生產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。二是制造業應用。中國科學家的突破性成果——人工合成淀粉帶來了生產范式的變革。人工淀粉合成代謝途徑（ASAP）實現了在無細胞系統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農業生產淀粉的8.5倍。在充足能量供給的條件下，按照目前技術參數，理論上1立方米大小的生物反應器年產淀粉量相當于我國5畝玉米地的年產淀粉量。該技術的應用使淀粉生產方式的生物工業制造成為可能。

生物科技的發展是近現代人類文明發展的縮影。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、發展、演化的科技，是關于人自身內在指向的科技。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。

（作者為中國科學院大學長聘教授、公共政策與管理學院副院長、博導）

【參考文獻】

①張先恩：《世界生命科學格局中的中國》，《中國科學院院刊》，2022年第5期。

②劉小玲、雷蓉：《從入選中國科學十大進展看合成生物學的發展》，《科技中國》，2022年第4期。

責編/銀冰瑤 美編/李祥峰

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