01 合成生物学的发展现状
合成生物学所具有的革命式、颠覆式创新潜力,已经成为世界各国必争的科技战略高地,正在引发新一轮科技与产业国际竞争。
02 合成生物学未来发展的重点技术
为充分把握合成生物学领域的国际发展态势和国家战略需求,需进一步明晰我国合成生物学领域的发展思路、发展目标、优先发展领域及重要的研究方向。
(1)基因编辑、合成与组装
基因组编辑技术是合成生物学的一项核心使能技术。CRISPR基因组编辑技术在生命科学领域掀起了一场全新的技术革命,但目前CRISPR基因组编辑技术的性能尚有欠缺,智能设计、表达和递送系统等技术还不能满足医疗等应用需求。未来基因组编辑技术的发展,一方面亟待开发更精准、高效、全面和智能的CRISPR基因组编辑技术;另一方面需利用大数据分析和人工智能技术,不断开发全新的颠覆性基因组编辑技术。
(2)设计技术
蛋白质结构预测和功能设计致力于解决根据结构设计序列以及根据功能设计结构两个重大问题,其终极目标是利用计算机算法,设计具有所需功能且能够折叠成特定结构的蛋白质。未来一段时间,需要着重发展恰当描述主链运动和更加精确描述侧链构象的表示方法,提高能量函数的准确性和通用性,构建高质量蛋白质标注数据集,推进蛋白质计算设计软件的国产化,摆脱长期以来对国外软件的依赖,构建自主可控的蛋白质计算设计平台。
(3)细胞工程
无细胞系统未来发展中,需进一步优化以提高效率、降低成本,同时提高生物大分子合成的个性化、多样化、普适性和稳定性;使用寿命需进一步延长,朝着能够实现自我复制的无细胞合成系统迈进。
(4)合成生物学先进分析技术
多组学技术中,蛋白质组学的发展将主要围绕蛋白质解析技术、新型蛋白质修饰解析技术、定量蛋白质组鉴定分析、超高分辨率解析技术等展开;代谢组学优先发展的方向包括创新发展分析方法、拓展代谢研究的空间维度、建立代谢计算平台等。
(5)合成生物数据库、大数据智能分析与自动化实验
现有的合成生物数据库/知识图谱分散、内容完整度差、缺乏统一标准,如何构建标准化合成生物数据库,构建全面、准确的合成生物知识图谱,是亟待解决的关键技术问题。
03 合成生物学未来主要应用领域
合成生物学的应用领域主要包括低碳生物合成、合成生物能源、生物活性分子的人工合成及创新应用、健康与医药、农业与食品、纳米与材料、环境等七个方向。
(1)低碳生物合成
面向“双碳”目标与产业变革的重大需求,提高生物对能量的利用效率,需要在低碳生物合成的基础研究、关键技术、产业应用等方面开展系统研究。面向2035年,需要围绕两个重大突破方面开展深入研究:
(2)合成生物能源
合成生物能源面临高昂生产成本和低廉产品价值之间的矛盾、巨大市场需求和较低技术成熟度之间的矛盾,这两种矛盾是当前合成生物能源技术发展及产业应用的关键瓶颈。因此,需要研究生物发酵工艺优化、智能发酵控制、发酵产品分离纯化等,实现合成生物能源的高效低成本生产,从而在与石化能源的竞争中取得优势。
(3)生物活性分子的人工合成及创新应用
(4)健康与医药
在应对传染病方面,病毒性疾病新型研究体系、新型疫苗开发、治疗性抗体设计等领域都取得了一定进展。未来的发展方向包括建立重要新发烈性病毒的研究体系,建立和完善针对病毒大类的基因组信息专用数据库,从头设计抗体分子,开发具有广谱保护活性的T细胞多肽疫苗、包括RNA疫苗的新型核酸疫苗,开发个体生物反应器、蛋白质化学工厂等新技术。
(5)农业与食品
农业合成生物技术将为光合作用、生物固氮、生物抗逆、生物转化和未来合成食品等世界性农业生产难题提供革命性解决方案。未来将以人工高效光合、固氮和抗逆等领域为重点突破口,提出三个发展阶段的战略目标。
(6)纳米与材料
合成生物学工程化的生物源纳米材料已有诸多进展,但在临床转化方面还有很多亟待解决的难题。“仿生命体”虽然原料源充足,但其中一些纳米材料的获取方式还不具有工业生产的普适性,需要增强靶向效率、提高转染率;“半生命体”材料能够在体内实现药效,但在一定程度上也会引起机体的不适或引发新的毒副作用,未来需要监控并纠正药物在体内的不正确状态、提高药物靶向性等;“类生命体”只模仿了生命体的一部分功能,投入到临床使用的最大困难还是技术成熟度的问题。此外,未来不同生物源纳米材料的量产模式和标准化获取路线的建立,以及工程化优化体系的建立等,都将推动该领域的广泛临床应用。
(7)环境
04 对我国合成生物学发展的政策建议
为了实现我国合成生物学未来中长期发展目标,充分发挥合成生物学的“赋能”潜质,推动“生物技术革命”和“提升人类自身能力”,不仅需要重新审视现有的研究和开发体系,还迫切要求组织管理模式的变革以及创新生态的建设,从而保证资助机制和管理政策能够与合成生物学的“会聚”特点及“赋能”潜质相匹配。
(1)研究开发体系与能力建设
未来应围绕国家重大战略需求,着眼未来国家竞争力,结合领域发展规律与趋势,加强战略谋划和前瞻布局,通过制定国家中长期发展路线图,有计划、有步骤地开展科学研究和技术开发,既考虑全面、多层次的布局,也突出“高精尖缺”技术。重点支持能力建设,特别是支持合成生物学元件库、数据库,以及专业性、集成性、开放共享的工程技术平台(包括基础设施)建设和核心工具的研发。
(2)综合治理与科学传播体系
合成生物学技术的快速发展,直接带来涉及开源共享与知识产权、市场准入,以及伦理、生物安全(安保)等问题,挑战了传统的管理模式和治理体系。
(3)教育与人才培养
撰稿人 | 合成生物学期刊
责任编辑 | 胡静
审核人 | 何发
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近年来,RNA疗法及其在疾病治疗中的潜力备受关注,今年诺贝尔生理学或医学奖授予微小RNA(microRNA)领域的研究更是将这一热度推向高峰。在新药研发蓬勃发展的今天,小核酸药物被视为继小分子药和抗体药之后的“第三次制药浪潮”的关键力量。
作者:崔芳菲
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