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资讯 > 智能硬件 > 合成生物学:一种两用技术的机遇和挑战
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合成生物学:一种两用技术的机遇和挑战

时间:09-02 00:00 阅读:5230次 转载来源:战略前沿技术

远望智库:与智者同行,为创新加速

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来源: 全球技术地图(ID:drc_iite)

作者:刘发鹏

科学技术像一把双刃剑,既能通过促进经济和社会发展以造福于人类,同时也可能在一定条件下对人类的生存和发展带来消极后果。科学技术作用的实现要受一定客观条件,诸如社会制度、利益关系等因素的影响,也要受到一定的主观条件如人们的观念和认识水平的影响。 

“商用和军用”双用途的合成生物

合成生物学作为一种具有颠覆性意义的新兴技术,其未来应用前景正越来越多地在工业界和学术界讨论。与很多新兴技术一样,合成生物学也具有商用和军用两种用途。

在商业应用领域,合成生物学市场预计在2018年至2025年期间将以28.2%的复合年增长率增长,并在2025年达到560.449亿美元的市场规模。合成生物学市场可以根据产品、技术和应用三个方面进行细分。在产品方面,市场被分割成酶、寡核苷酸、底盘生物和异种核酸等领域。由于酶在医疗保健领域的广泛应用,酶产品占据了最大的市场份额。在技术基础上,市场被分割为基因合成、基因组工程、测量和建模、克隆和测序、纳米技术等。基因合成在这些技术中占有最大的市场份额,遗传学领域的研究和开发活动日益增多,并且越来越多的市场参与者提供基因合成产品和解决方案。在应用层面,全球合成生物学市场分为工业应用、食品应用、农业应用、医疗应用以及环境应用等。

在军事应用领域,合成生物学显示出颠覆性潜力:一是将极大促进包括军事医学在内的生物医学的发展,包括生产出更有效的疫苗、研制出新型军队特需药品等;二是用于设计和改造军用材料,如对微生物进行定向改造,使其具有特定功能,以满足军事需要。例如美国合成生物学企业Ginkgo Bioworks与美国国防部高级研究计划局(DARPA)合作生产益生菌,帮助美国士兵在海外抵御胃病。三是用于开发军用新能源,如部队可利用携带的少量合成生物体,将空气中的二氧化碳转化为生物能源,从而极大提高部队的机动性和作战范围。

美英两国高度重视的合成生物学

合成生物学在商业和军事领域的应用前景引起全球各国的高度关注和项目资助,以美英两国尤为突出。相应的,美英两国无论在合成生物学研究层面还是应用层面,都处于世界领先地位。以下是美英两国在合成生物学领域的项目资助和相关政策盘点。

美国

2012年,美国埃克森美孚公司与文特尔合成基因组公司(SGI)签订合作协议,投入6亿美元进行微藻生物燃料的研发。同时,美国DARPA在这一年也发起了三项研究计划:计划4年共投入1.92亿美元的“现代疗法:自主预防和治疗项目”,致力于利用合成生物学方法为感染性疾病的识别与治疗提供帮助;计划2年投入约5000万美元的“生命铸造厂”项目,以实现军用高价值材料和设备可按需设计与生产;计划4年投入约4462万美元的“生物设计项目”,致力于生产全新的生物组织再生材料等。

2013年,美国国立卫生研究院(NIH)投入约250万美元,发起“作为下一代癌症治疗的人工修饰T细胞”项目。美国能源部投入约160万美元发起“合成基因回路促进转基因生物能源作物的产量”项目。

2014年,美国DARPA发起“生命铸造厂-千分子”计划,预计生产1000个自然界不存在、独特的分子和化学模块,该计划是对“生命铸造厂”项目的补充。此外,美国能源部在这一年发起了三项合成生物学的应用项目,包括:投入157万美元的“利用人工修饰大肠杆菌将甲烷转换为正丁醇”项目,投入 450万美元的“利用合成甲基营养型酵母生产液体燃料” 项目和投入300万美元的“厌氧生物转化甲烷成甲醇” 项目等。

2016年,美国自然科学基因发起“非酶RNA复制”项目,投入100万美元以研究自然界原始的RNA复制;同年,美国Craig Venter及其团队成功构建“丝状支原体JCVI-syn3.0”,完成世界最小细菌基因组的构建;美国Ginkgo Bio Works公司筹集1亿美元,使用机器人生产线创造微生物,以生产用于香料、杀虫剂和饮料等的化学品。此外,美国国家科学院在这一年启动“合成生物学带来的新威胁识别与应对策略研究”项目,重点对致病微生物的生物学功能、致病机理的改造与操控等进行研究,最终目标是为国防部提供关于合成生物学的安全威胁评估与应对措施建议。

2018年6月,受美国国防部委托,美国国家科学院对合成生物学可能引发的生物威胁进行了评估,并发布了《合成生物学时代的生物防御》报告。报告指出,合成生物学的滥用可被用于制造生物武器,且难以预防、监测和监测,将对民众和军事作战产生巨大威胁。该报告评估了合成生物学可能带来的潜在威胁,按照威胁的紧急程度和危害程度拟定了防御框架,并建议国防部加强公共卫生基础设施建设以充分预防潜在的生物攻击。

英国

2012年,英国商务、创新与技能部(BIS)发布《英国合成生物学路线图》,计划投入5000万英镑,并明确指出实现合成生物研究创新效益和经济效益最大化的重要性,为英国合成生物学的发展提出了5个重点主题:基础科学与工程、持续开展可靠的研究与创新、开发商用技术、应用与市场以及国际合作等。同一年,英国研究理事会资助1000万英镑在英国建立五大DNA合成中心,助推英国不断发展的合成生物学产业,提升英国在该领域内的能力。此外,英国将每年为博士培训中心(CDTs)提供200万英镑的额外资助,以打造世界一流的合成生物学培训环境。

2016年,英国合成生物学领导理事会(SBLC)发布《英国合成生物学战略计划2016》,旨在到2030年,实现英国合成生物学100亿欧元的市场,并在未来开拓更广阔的全球市场,获取更大的价值。

2018年,英国发布《2017年英国合成生物学初创调查》,该报告显示英国在2000-2016期间,对合成生物学的政府公共投资达5600万英镑,来自私人的投资达5.64亿英镑,从而促使英国146家合成生物企业相继成立,且公司数量每五年翻一番。此外,英国劳埃德(Lloyd's)最近发布合成生物学的新兴风险报告,指出合成生物学领域的新兴风险包括:实验室外生物有机体意外释放,生物恐怖行为故意建造生物武器以及生物研究中可能产生的意外后果等。该报告表示,研究中的许多风险往往是不可预测的,并且对于可能出错的事物类型以及如何发生这种风险存在高度不确定性,更不用说爆发这些风险应该如何去有效应对。

综合以上项目可以看出,美英两国近些年在合成生物学领域进行了十分活跃的项目资助,开展了从生物能源到医学和细胞工厂等领域广泛地研究。同时美英两国政府逐渐意识到了合成生物学潜在的安全风险,并开始制定相关政策以促进和规范合成生物学健康有序发展。

两面性

机遇与风险并存的合成生物学

尽管科学家、工程师、激情的创业者甚至是大国政府,都在期待着利用合成生物学创造出新的商业流程、高附加值产品或功能强悍的军需用品等,但不得不面临一些专家的安全警告:合成生物学也可能导致新的安全威胁——特别是制造致命的生物武器。美国约翰霍普金斯大学健康安全中心最近举办了一场病毒大流行桌面推演:一种名为“Clade X”的生物工程病毒被恐怖组织故意释放,导致20个月后1.5亿人死亡。美国莱克星顿研究所的洛伦·汤普森警告说,合成生物学可以让“超级病原体的发展威胁到大量人口,甚至威胁到人类文明的存亡”。虽然这些担忧可能为时过早,但各国政府必须考虑国家和非国家行为者或许会滥用这种新兴技术的潜在威胁。

关于核、生物和化学等技术的两面性辩论并不新鲜。虽然核物理已明显改善电力供应和医疗检测,但核武器却提升了全球的安全隐患,并在许多情况下造成了与商业核技术交织在一起的核扩散风险。几十年来,人们一直担心化学和生物科学的进步将导致新型化学武器和生物工程病毒的发展。与此同时,工业界利用这些相同的技术进步为公众提供新的家居产品和更广泛的豪华服务选择。其他受关注且存在两面性的技术包括定向能源,商用无人机和网络系统等。面对所有新兴技术的两面性,挑战在于如何去平衡利用这些技术带来商业增长与防止它们被用于违反国家安全和利益。

基因编辑工具使得研究者可以随意改写生物的遗传密码,也正是合成生物学的蓬勃发展,证实了专家学者的担心并非杞人忧天,事实上,也的确有一些科学狂人开始了疯狂的“创作”。来自加拿大阿尔伯塔大学病毒学家 David Evans 就是其中的一位,2017 年他带领团队仅花费了 10 万美元就重新合成出了马痘病毒——这是一种天花病毒的近亲,而这种病毒早在 1980 年就宣布已被彻底消灭。毫无疑问,如果马痘病毒可以被复制再现,天花也并非不可。在历史上,天花病毒几乎可以被视作是“死亡”的代名词,人类与之斗争了几个世纪,并付出了数以亿计的死亡代价,才使其消灭。而如今,刚拼来不久的安宁似乎也变得岌岌可危。

寻求“克制与理性发展”的

合成生物学

好消息是,合成生物学的大部分技术仍然远远超出了暴力极端主义组织的能力,目前这些技术仅限于拥有先进实验室和良好资源的大国。坏消息是,技术变革的快速发展为美国军队开发和利用潜在武器系统带来了很大的不确定性。美国最近发布的《合成生物学时代的生物防御》报告呼吁“美国政府应该密切关注合成生物学这个高速发展的领域,就像在冷战时期对化学和物理学的密切关注一样”。实际上,美国军方早已成为合成生物学的最大投资者。虽然对于美国来说,这些投资更多的是出于防御目的,但对于其他国家来说,美国的这种行为会增加它们额外的安全焦虑。

科学技术是一把双刃剑,既能通过促进经济和社会发展以造福于人类,同时也可能在一定条件下对人类的生存和发展带来消极后果。合成生物学的良性健康发展,离不开各国政府的及时有效监管。各国政府应该加强国际合作和交流,并在道德伦理、技术规范和安全风险等方面尽快达成共识,从而有效抑制个别国家在技术应用上的冲动,确保合生生物学能在造福人类的正确轨道上发展。

另一方面,合成生物学的快速发展使“超级病毒”、“生物恐怖主义”、“人造生命”甚至是“人造人”等词汇频繁出现在公众视野,这很容易引起公众对合成生物学的担忧和误解,同时这种误解可能会随着炒作而逐渐增加。因此,政府和科研机构等也需要努力改善和大众的信息鸿沟,做好科普工作,以避免合成生物学在未来遭受到来自社会的阻力。

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