上海合成生物学下一个“重磅”成果会是什么?

来源:上观

【编者按】当我们展望上海何时会出现下一个合成生物学的重磅成果之时,其实很难预测,因为重大科学发现都不是“规划”出来的。但是,也不难预测,因为合成生物学为生命科学技术提供了可以发展“设计”能力的道路——工欲善其事必先利其器,“器”磨利了,何愁工不善其“事”?

  当人们认为“合成胰岛素将是遥远的事情”之时,1965年9月17日,世界上第一个人工合成的蛋白质——牛胰岛素在上海岳阳路320号诞生,此时距离“胰岛素化学结构的解析”获诺贝尔奖仅仅过去了7年。

  如果酿酒酵母的16条染色体整合成类似原核细胞的1条染色体,它是不是还可以正常生长?覃重军研究员在上海枫林路300号散步时的这一“疯狂”想法,指引着他的团队创建了世界首例人造单染色体真核细胞,这一自然界之前并不存在的“简约化”生命;该成果被选为2018年度中国科学十大进展。

  上海,作为我国合成生物学的发源地之一,一直不乏重要科学产出。但放眼国内外,这个新兴领域中合作与竞争的态势,亦如火如荼。北京、深圳、天津等地“异军突起”,美国、英国已经在谋划面向未来20年的发展目标。

  1月8日,上海合成生物学创新战略联盟2022工作年会在华东师范大学低调地结束了,但它也是一个有关上海合成生物学未来的开始,并促人思考——下一个重磅成果何时出现?

  【新一轮生命科技研究必争之地】

  合成生物学,是继“发现DNA双螺旋结构”所催生的分子生物学革命、“人类基因组计划”所催生的基因组学革命之后的第三次生命科学的革命。它采用工程科学研究理念和策略,对生物体或生命体系进行有目标的设计、改造乃至重新合成,是新一轮国际生命科学技术研究的前沿焦点和必争之地。

  许多国家高度重视合成生物学发展。美国对合成生物学的布局比较早,近年来更是连续发布了多份科技路线图,包括“半导体合成生物学”“工程生物学”“微生物组工程”“工程生物学与材料科学”等,这些路线图都更加关注跨学科的交叉融合,进一步明确了面向未来20年的发展目标和方向。在《2021美国创新与竞争法案》中,合成生物学位列关键竞争技术。

  英国早在2012年就制定了合成生物学国家路线图,2016年又发布合成生物学战略计划。他们为此建立了涵盖6个研究中心、1个创新中心、1个制造中心和1个产业中心的国家综合性研究网络,成立了 150 多家合成生物学初创企业。

  全球合成生物学领域初创企业蓬勃发展。中国科学院上海营养与健康研究所熊燕研究员向解放日报·上观新闻记者介绍,2020年全球合成生物学领域的相关企业获投融资78亿美元,是2019年的2.5倍。2021年第三季度,合成生物学初创企业的投融资为61亿美元,增幅达33%。其中,健康和医药领域的投融资增长远超其他领域。

  【上海进入国际合成生物学竞争快车道】

  我国合成生物学的战略布局并不算晚,2008年中国科学院就开始制定面向2050年的重大交叉前沿科技领域发展路线图——“生命起源、生物进化和人造生命”。2008年中,在北京召开了关于“合成生物学”的香山科学会议;年底,在上海召开了同样主题的东方科技论坛。

  最近十年,我国合成生物学领域出了不少重要成果,论文量、总被引频次和篇均被引频次逐步增长,其中前两项“指标”已位列世界第二。我国在“十四五”规划中已明确提出,将合成生物学作为重点科研攻关的前沿领域之一。

  目前,我国合成生物学领域的相关企业主要集中在北京、上海、浙江、江苏、广东、天津等地。2020年12月,工程生物产业数据分析平台发布“全球最值得关注的50家合成生物学企业”,有9家中国企业入选。

  “上海在合成生物学领域基础雄厚,整体进入国际合成生物学竞争快车道。”中国科学院院士、上海交通大学微生物代谢国家重点实验室教授邓子新向解放日报·上观新闻记者介绍。

  2008年,中国科学院合成生物学重点实验室在上海成立。2015年,上海各高校和科研机构协同成立了合成生物学创新战略联盟,这两项重要的举措,推动了全国合成生物学在科学探索和产业应用的发展。

  近年来,上海科学家构建了全球最大的合成生物学反应大数据系统,建立了全球领先的从头合成智能设计体系,可实现一周内完成从目标化合物选择到菌株理性选择等研发能力,其先进性可与美国国防部高级研究计划局支持的项目相媲美;发展了新型蛋白质分子设计技术,蛋白酶K在新冠肺炎检测中得到大规模应用,累计供应近1亿人份;甜菊糖苷的两种稀有组分在全球率先实现工业化生产,新增销售收入8800万元;开发出新一代光遗传学工具,只需每天光照1分钟即可让糖尿病小鼠显著降血糖。

新型光遗传学工具光照小鼠、大鼠、兔示意图

  【带动上海三大核心产业融合发展】

  上海的合成生物学未来向何处去?

  “最近,有一家投资公司急着要和我见面,想了解合成生物学,因为‘合成生物学’成为投资的热点。”中国科学院院士、中科院分子植物科学卓越创新中心研究员赵国屏说。

  但是,“合成生物学”什么样的成果,才能真正在市场上得到价值的承认?赵国屏举例说,“人类基因组计划”开展之后,美国加州海岸“顺势”冒出了一批以“人类基因组”为导向的生物技术创业公司。但几年之后,靠数据吃饭的公司基本销声匿迹了,靠技术的公司还在“艰难生存”,只有靠产品的公司还在发展。可见,“有用的产品“才是最终被市场认可的价值。

  因此,在“热”中更需“冷”思考。在赵国屏看来,合成生物学最主要的任务,是要按人们的需求,设计出相应的“产品”——分子机器、细胞工厂、新型药物等等。但实现这一目标最大的科学技术瓶颈,就是理性设计能力太差,其背后是对非线性的复杂的生命系统,从分子到细胞再到个体的多层次功能和规律的科学认识不到位。

  “最近这次香山科学会议就提出了利用定量生物学,强化在认识规律基础上推导出理论模型的‘白箱策略’。同时,将努力推行在大数据基础上,通过‘机器学习’等人工智能手段,建立模型的‘黑箱策略’。如果再加入合成生物学机器系统产生数据,提供试错和验证的工程技术平台,那就是两者的结合,会有一个质的提升。”

  无独有偶。日前,“人工智能预测蛋白质结构”位列国际学术期刊《科学》2021年度十大科学突破之首。未来,与人工智能的融合,可能会是合成生物学的一个发展方向;而细胞机器人和混合细胞电子系统的出现,则为集成电路与合成生物学的交叉,提供了新思路。

  2021年9月,上海首家合成生物产业特色园区“南大合成生物产业园”揭牌,以实现创新企业从“苗圃—孵化器—中试加速—产业化生产”的功能布局。可以预见的是,合成生物学将成为上海生物医药产业新一轮发展的重要驱动力。

  【前瞻设计,将研究目标“再聚焦”】

  2021年10月,深圳出台了全国首个合成生物学专项扶持政策——《光明区关于支持合成生物学创新链产业链融合发展的若干措施》。

  政策引导往往会促进合成生物学的区域创新集群的形成。截至2019年,全球合成生物学公司超过730家,其中仅美国加州就有214家。加州还将通过“生物构建”行动计划,进一步促进加州生物经济快速发展。

  出席上海合成生物学创新战略联盟2022年会的专家们表示,上海目前的研究还比较“散”,建议进行前瞻设计,制定区域发展路线图,将研究目标和方向“再聚焦”。此外,建议出台更具体的政策措施,真正实现创新链与产业链的深度融合。

  与会的上海市科委总工程师赵健表示,市科委将围绕国家战略,继续关注相关产业发展的重大需求,整合创新优势力量,促进上海合成生物学研究高质量发展。

  当我们展望上海何时会出现下一个合成生物学的重磅成果之时,其实很难预测,因为重大科学发现都不是“规划”出来的。但是,也不难预测,因为合成生物学为生命科学技术提供了可以发展“设计”能力的道路——工欲善其事必先利其器,“器”磨利了,何愁工不善其“事”?