基因组的设计与工程化构建

合成生物学是利用工程化的思想来设计和构建新的生物基因组,是近年来的研究热点。近年来,对原核细胞支原体天然小基因组进行从头合成并进一步设计与构建最小基因组,对原核模式生物大肠杆菌基因组的不断删减及全基因组密码子简约化设计与人工合成测试,以及对真核模式生物酿酒酵母基因组人工设计与合成测试都取得了很大成功,极大地促进了我们对生命的理解。我国的基因组的设计与工程化构建方面的研究虽然起步较晚,但近年来取得了国际瞩目的成果。基因组的设计与构建为深入了解生命起源与进化,并为进一步构建具有强大应用功能的新型生命体奠定了基础。     

黄娇芳：脚踏实地 建物致知

正时代的浪潮滚滚向前,科学的进展永不停歇。被称为"第三次生物技术革命"的合成生物学在现代生物学和化学、分子和细胞生物学、计算机和工程学等基础上,通过多学科系统深度交叉融合发展而来,如今已成为我国2021—2035国家中长期科技发展规划的重要内容之一,并为药物研发、化合物与材料开发以及生态环境治理等方面提供了一系列技术支撑与解决方案。脚踏实地,建物致知。多年来,华东理工大学生物工程学院特聘研究员黄娇     

中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所

正中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学平台始建于2013年8月,2017年12月2日在中国科学院院长白春礼院士和深圳市副市长艾学峰的见证下成立为合成生物学研究所(以下简称"合成所")。合成所采用合成生物学的工程化设计理念,专注于人造生命元件、基因线路、生物器件、多细胞体系等合成再造研究,旨在揭示生命本质和探索生命活动的基本规律。研究所积极开展面向市场     

创新政策体系 保障合成生物学科技与产业发展

近年来,合成生物学飞速发展,为生命科学研究带来了新思维、新方法,不仅极大提升了人类对生命本质的理解,由此催生科学与技术、文化与产业的革命,也引发了合成生物学领域在研发投入、产业转化、教育培训、知识产权、公众认知,以及伦理和生物安全监管等方面的讨论。文章梳理了合成生物学科技与产业发展在政策与管理方面的挑战,以及已有的一些策略和实践,提出加强顶层设计、明确监管责任,建立技术标准、规范市场准入,重视教育培训与科普宣传平台建设,构建政府部门、科技界、教育界、产业界、公众共同参与的创新政策体系及综合治理体系等建议。     

“合成生物学”研究前沿与发展趋势

合成生物学研究(syntheticbiology)是一门新兴研究领域,是生命科学在21世纪刚刚出现的一个分支学科。合成生物学是分子和细胞生物学、进化系统学、生物化学、信息学、数学、计算机和工程等多学科交叉的产物。近年来合成生物学发展势头强劲,许多新的技术被应用到合成生物学领域,2010年人工合成生命的出现更是引起了舆论轰动和全世界的广泛关注。鉴于此,文章对合成生物学的研究进展与发展趋势进行了阐述,以供参考。     

合成生物学研究的工程化平台

合成生物学研究中,海量的工程化试错实验远远超出传统的劳动密集型研究范式的能力范畴,因而亟需一种变革性的工程化研究平台。工程化平台通过引进各类符合生产所需的智能装备,开展大规模个性定制模式创新,实现生命体的远程定制、异地设计、规模经济生产。工程化平台能够快速积累经验知识,是实现生命体可预测合成的科学基础。文章介绍了合成生物学研究的一些工程化平台,及其上下游机构的发展案例、创新机制与趋势。     

合成生物学及其在生物制造领域的进展与治理

合成生物学是利用工程学的设计原理改造和优化现有自然生物体系,甚至从头合成创建具有特定功能的人工生物体系,在深入理解生命本质的同时,实现在能源、材料、食品、医药、化工、环境和农业等领域的广泛应用.本世纪以来,合成生物学研究发展迅速,已经取得了一系列突破性的成果.本文简要综述了合成生物学的概念理论、技术方法和功能应用主要发展概况及其生物安全风险管理,并且就其在生物制造领域的应用进行了重点阐述,并对其未来发展,尤其合成生物学发展需要点解决的问题进行了展望.     

合成生物与生物安全

合成生物学基于生物、化学、物理、计算、工程等多学科交叉,对生物体以工程化的方式重新设计甚至是从头合成,将克服自然进化的局限,创造超越自然生命能力的合成生物,不仅对探索生命活动基本规律具有重要科学意义,也在工农业生产、环境保护、健康保健等领域具有巨大应用前景。随着合成生物技术发展的日新月异,合成生物的应用范围日益广泛,如何保障合成生物的生物安全性成为一个极其重要并且亟待解决的关键问题。合成生物学研究中大量涉及来自于病毒、致病性细菌和真菌的强毒力基因元器件,且被设计和使用的毒性基因元件和调控元件的数目也从少数几个跃升为几十个、上百个,乃至整个基因组的重新设计和编辑改造。如果缺乏有效管控或被恶意谬用,这些人工合成生物体可能会对生态环境平衡、公共卫生安全乃至国家国防安全造成威胁。因此,在人工设计和改造生物体的过程中,必须建立系统的防范和监控体系,设计有效的方法和技术来阻止人工生命体在野外环境下的复制和增殖、遗传信息的漂移以及阻断其进化出新的环境适应性,做到完全的人工改造生物隔离,达到真正的人工可控生命目标,确保其生物安全性。文章综述了合成生物学的研究进展和合成生物潜在的生物安全性威胁,以及合成生物的生物安全性防控设计策略,并对相关安全政策规章的制定给出了建议。     

设计生命:合成生物学的安全风险与伦理挑战

合成生物学的快速发展引起学界的广泛关注。合成生物学的工程特性赋予其“设计”和“重构”的实践内涵,人为设计的生命得以加入传统的以DNA为基础的生命进化进程,进而引发了一系列安全风险和伦理问题。文章探讨了合成生物学发展历程中的标志性事件所引发的伦理争议,剖析了合成生物学面临的安全风险、伦理困境及其诱因,在借鉴欧美国家监管机制的基础上,提出我国合成生物学伦理监管的思路。     

符合工程化需求的生物元件设计

从合成生物学的角度来认知生命,其本质是可数据化与可设计性。生命体中绝大多数的催化功能是由酶来实现的,因此催化元件是合成生物学中最核心的元件之一。序列决定构象,而构象则决定功能。基于空间结构的催化元件序列数字化设计,是合成生物学研究的重要热点和前沿领域。它既可为开发合成生物学功能器件,特别是全新化学催化器件提供大量原型分子,同时也为发展模块化、工程化调控元件提供设计模板和指导规律。文章针对近年来出现的生物元件,尤其是催化元件的前沿进展进行简要介绍。     

纳米酶：结合天然酶和人工催化的力量

纳米酶代表了一类新型人工酶和生物催化剂,打破了无机与有机生命的界限。它既有纳米材料的理化特性,也有独特的类酶催化活性。同时,这些理化特性有可能会调控催化活性,使得纳米酶跟天然酶、传统的模拟酶和化学催化剂区别开来。纳米酶有比较好的稳定性、耐高温、低温、耐酸碱、活性可调且多功能,目前受到了广泛关注,在生物医药、环境治理、绿色农业、新能源等领域展现出巨大的应用前景,并初步形成了相应的学科框架。为了更好地推动纳米酶的发展,拓展对纳米酶的认识,文章回顾了纳米酶发现,分析凝练了纳米酶的学科特点及其结构,综述了纳米酶的应用,并展望了未来的发展趋势。     

新药研发发展态势分析

新药研发是医药创新发展的关键环节,是新一轮生命科技革命和生物经济变革的核心领域,对引领科技创新、带动经济发展、提升人民健康福祉具有战略意义。当前,前沿技术不断革新、学科跨域融合、数字深度赋能驱动新药研发领域创新日趋活跃,国内外创新性小分子药物、抗体药物、免疫细胞治疗、基因治疗与核酸药物等密集获批上市,为未满足的临床需求提供更多选择。文章深入分析新药研发领域发展趋势、全球新药批准情况,以及我国新药研发发展现状与态势,提出发展启示与建议,以期为新药研发领域发展提供参考。     

生命大科学：从微观到介观的组学研究

世纪之交的“人类基因组计划”开启了生命大科学的研究新时代,形成了以整体性高通量研究为特征的各种生命组学。最初的组学研究主要在分子层次上展开,如基因组学、转录组学、蛋白质组学等,表现出数据驱动的研究新范式。随着研究技术的发展,组学研究上升到介观层次,其核心是2017年启动的“人类细胞图谱”计划。目前,研究者已经能够在组织器官乃至个体水平开展组学研究,通过整合不同层次的组学数据来认识生命复杂系统。     

智能时代的脑科学与类脑智能研究

以智能科技为核心技术、智能算力为生产力的智能时代再次把脑科学推向世界科学与技术前沿。脑科学是研究人、动物和机器的认知与智能的本质和规律的科学。对神经系统结构和功能联结规律进行全面解析将最终绘制成脑功能联结图谱,近10多年来神经科学研究致力于系统性地解析神经系统的神经元类型和神经结构连接,在单细胞转录组分析、神经网络结构示踪等技术推动下取得了阶段性进展。解析人类大脑这一最为复杂的信息和智能系统,会启迪类脑智能理论和类脑智能技术,即脑科学/神经科学启发的智能理论和技术。在智能时代,脑科学研究的多学科交叉研究范式促使脑机接口、类脑智能计算等类脑智能研究领域加入脑科学。脑机接口的神经解码和编码技术为绘制人脑功能神经网络图谱提供了重要的功能研究技术和方法,并且可探索在脑疾病临床诊治上的应用。类脑计算正成为脑科学研究的一种新范式,借鉴脑处理信息和学习的基本原理发展高能效、高速和智能的新型类脑计算系统,利用发展的类脑计算系统可以加速发展脑模拟和数字大脑,促进理解大脑运行机制和治疗脑疾病,发展数字脑科学和脑医学。新近出现的脉冲神经网络智能处理器为构建大规模类脑智能计算系统奠定了基础,未来类脑超级算力极可能超过人类大脑算力,影响智能科技变革和人类社会发展。     

构建海洋生态分类分区体系，推动基于生态系统的海洋管理

基于生态系统的海洋管理是海洋生态文明建设的重要手段。我国当前的海洋生态分类分区工作通过全面梳理海洋生态系统类型和自然地理特征,将我国近海按照不同尺度划分为若干等级的生态空间单元,有效刻画了海洋生物群落及其栖息地的地理分布特征,对于支撑基于生态系统的海洋管理具有重要作用。文章分析了海洋生态分类分区的现实意义,回顾了国内外海洋生态分类分区研究和发展历程,介绍了我国海洋生态分类分区的实践经验和应用前景,并对基于生态系统的海洋管理实现路径提出建议。     

颠覆性技术多元投入机制研究

颠覆性技术是推动人类发展和产业变革的关键力量,世界各国都高度重视,纷纷进行相关战略规划和部署,期望占领技术创新的制高点。作为资源集聚的有效方式,颠覆性技术多元投入机制的构建逐渐上升为国家的战略需求,相关研究也日益得到国家的重视。文章首次以创新过程视角开展颠覆性技术多元投入机制研究。从创新理论出发,深入创新过程,系统分析了技术成长特性,明确了颠覆性技术多元投入机制内涵,并以案例研究为支撑,解析投入实践,总结投入模式,链接创新机理,实现了从创新机理到创新实践的颠覆性技术多元投入机制的系统构建。     

如何科学地理解“新质生产力”？

新质生产力是一个战略性的概念,可以将其定义为所有能够促进基于技术进步之上提高单位产品科技含量和附加值的经济活动。讨论新质生产力必须要正确理解基于技术进步之上的产业升级,避免“一刀切”,将新质生产力限制在特定发展领域,认为新质生产力是技术决定论。发展新质生产力要关注基础研究、应用技术、金融系统3个核心生产要素,同时通过推动制度型高水平开放、营造良好的营商环境、打造开放的国际化人才体系,提供一个有效的发展新质生产力的支持环境。     

数据驱动的生命科学研究进展

生命科学发展日新月异,伴随着大量实验技术的更新,生物大数据逐渐产生并在生命科学研究中扮演着日益重要的角色。首先,生物大数据具有多样性和复杂性,包括基因组数据、表观基因组数据、蛋白质组数据等多种类型。这些数据为研究人员提供了更全面的信息,有助于揭示生命现象背后的规律。其次,数据驱动的生命科学新发展和应用涵盖了基因编辑、精准医疗、药物研发等诸多领域,为人类健康和生命质量提供了前所未有的可能性。然而,生命科学研究大数据时代也面临着包括数据存储、数据共享、隐私保护等多方面的问题,以及如何将海量数据转化为可靠的科学发现等挑战。文章简要概括了生物数据推动生命科学的发展规律,梳理了生物大数据组成、特点及来源,阐述并讨论了数据驱动的生命科学研究新范式下的共性问题和我国面临的挑战。     

对我国重力学未来发展的几点思考

随着现代科技的发展,重力学与地震学、地质学、基础物理学、地球动力学、水文学、海洋学和天文学等众多学科交叉融合并蓬勃发展,是服务国家测绘基准、资源勘探、军事安全及灾害监测等战略需求和基础地球科学问题研究的关键学科,因此掌握重力学的核心技术是国家核心竞争力的重要体现。文章在分析我国重力学学科发展的历史、现状、机遇与挑战的基础上,提出了重力学学科未来发展方向与重点思考内容,涉及海陆天空一体化的立体重力观测技术,海陆天空统一的大地测量重力基准网,地球系统质量迁移与青藏高原动力学问题研究,面向国防安全与太空的重力学,以及发展人工智能等新技术在重力学研究中的应用等。     

技术创新是未来空间科学发展的关键因素

空间科学是我国航天活动中的重要组成部分。尽管其是以科学发现为任务目标的航天计划,但是随着技术的发展和所到即所得类型的任务越来越少,空间科学任务对实现其目标的技术创新度的要求也越来越高。文章首先回顾了自空间科学诞生以来科学研究范式的发展趋势,然后分析了具有技术创新的空间科学任务的培育过程,以及领导这类任务的首席科学家的职责,最后分析和讨论了和空间科学相关的几个重要的技术创新领域。分析表明,在科技竞争越来越激烈的当下,未来空间科学任务能否取得科学突破并得到可持续发展的最为关键性的因素,将存在于任务所采用的获取数据的技术手段是否具有独特创新性,以及能否突破已有的探测地点的限制,创造出自己的第1次。