第一情报 ---生物与医药

合成生物学发达国家前瞻布局

供稿人:温一村  供稿时间:2020-11-26   关键字:合成生物学  美国  英国  新加坡    

(一)美国基础应用研究并重

美国对于合成生物学的研发极为重视。2008-2014年,美国在该领域研发投入总额为8.2亿美元。

1、美国国防高级研究计划局侧重生物系统工程化应用研究

自2012年起,美国国防高级研究计划局(DARPA)成为美国资助合成生物学研发的首要机构,2014年DARPA宣布成立生物技术办公室(BTO),目标是整合生物学、工程学和计算机科学等学科,接下来我们以DARPA为例,对美国在合成生物学的布局进行剖析:

近10年来DARPA年度经费在28亿-32亿美元之间,呈现基本稳定的趋势,其中的生物技术领域研究经费呈现逐渐稳定的态势,2015年度生物技术领域为3.07亿美元,占DARPA年度经费的10.51%;2016年度为3.91亿美元,占比13.62%;2017年为4.15亿美元,占比13.93%;2018年度为3.90亿美元,占比12.30%,DARPA聚焦军人能力保持恢复与增强、生物系统的工程化应用、生物复杂性的规模化应用3个研究方向,其中合成生物学领域的研究主要集中在生物系统的工程化应用方向上。

DARPA希望通过开展生物系统的工程化应用研究,利用生物系统解决目前材料制备面临的科学难题,革新医疗手段,并对仿生学研究产生启发。DARPA在该领域主要关注2大模块,一是推进合成生物学的发展应用,构建变革性生物制造平台,大幅压缩材料合成的时间和成本,开发出性能特异的新材料;二是对生物系统运行机制开展系统研究,加强对生物系统的理解,提高生物系统的可控性和鲁棒性,为后期向战场医疗,以及情报、监视和侦查等领域的转化应用打下基础。

以其中的“生命铸造厂计划”为例,该项目是DARPA实施最早、规模最大的计划之一,自2011年5月启动以来,已累计部署经费超过4亿美元。“生命铸造厂计划”的目标是利用合成生物学技术,以自然界已有的自然物质或合成物质为基础,构建基于生物体的新型制造平台,将生物设计、研发、制造过程变成工程设计问题,通过对自然生物的操纵来获取原创性新材料、新器件、新系统和新平台,实现军用高价值材料和设备的“按需设计与生产”。自“生命铸造厂计划”实施以来,取得的主要进展包括:开发了新的生物合成计算机软件系统,该软件系统将生物合成设计时间从以往的1个月缩短至1天,并能实现端到端的监控;构建了大规模基因网络,以该网络为基础初步验证生物制造的正向工程能力;建立了大规模DNA组装新方法,将体外准确装配的DNA片段数从此前最高10个提高到20个的水平,错误率降低到原来的1/4;实现了将多种新生物制品的设计、工程和生产提速7.5倍;实现了对乙酰氨基酚合成途径的设计和制备。

2、美国国家科学基金委员会重视颠覆性技术研究

2017年7月,美国国家科学基金委员会(NSF)为了满足未来全球市场对数字数据存储的需求,并突破现有储存技术局限,推出补助金额达1200万美元的“半导体生物合成数据处理与储存技术计划(SemiSynBio)”。计划目的是开发出一种整合合成生物学与半导体技术来制造新一代的数据储存系统。SemiSynBio计划由NSF和半导体研究公司合作推动,寻找一种结合生物、物理、化学、计算机科学、材料科学与工程学等多种领域知识体系的未来数据储存系统的新型架构。

研究人员预估与半导体技术相结合的生物储存系统可以存储的数据比现有内存的数据量多1000倍,可以保存100年,消耗的能量更少,体积更小。传统的数据处理与储存利用0和1来代表数据,生物合成法更具潜力,譬如人体DNA,此结构可以作为一种体积小、长期保存大量信息的内存。我们愈了解生物生命细胞的运作机制,就愈清楚了解信息处理是生物系统的关键功能。SemiSynBio是一个典型的跨领域研究推动计划,推动从生物到计算机科技领域的合作。目前,该计划的研究方向包括利用DNA来储存数据,基因电路的设计,生物电子学以及分子通讯等。

(二)英国重视合成生物学向应用的转化

英国把合成生物学列为未来八大技术之一,是首个在国家层面通过路线图方式推动合成生物学发展的国家。

英国在2012年发布的《英国合成生物学路线图》重点围绕5个主题进行了分析,包括基础科学和工程、继续开展负责任的研究和创新、面向商业应用进行技术开发、应用和市场以及国际合作。自2012年路线图发布以来,英国合成生物学领域取得了显著的成果。英国合成生物学领导理事会在2016年发布了《2016年英国合成生物学战略计划》,重点强调新兴创意的转化、应用的商品化以及全球市场部署,目的在于提供生物设计创新渠道,满足需求并在短期和长期内都能转化为社会和经济效益,到2030年建立价值100亿英镑的合成生物学平台技术产业。

英国在合成生物学路线图计划颁布之后,对合成生物学领域进行了一系列的资助与支持,2009-2015年,英国政府在合成生物学领域的总投资达3亿英镑。英国研究理事会和创新英国在全国范围内建立了6个合成生物学研究中心、3个博士培训中心(即牛津、布里斯托尔和沃里克大学)以及1个创新和知识中心。为了推动合成生物学技术和成果的产业转化和经济效益,英国在2013年建立了国家层面的产业转化中心(SynbiCITE),SynbiCITE负责监管英国合成生物学创业项目的发展,初创公司的成立,辅导项目、发展资金和创业培训课程能够激发新思路、促进技术的商业化;此外,英国还积极参与制定该领域的标准和指南,为其成果产业化争取话语权;再次,英国政府的加速器项目,以及通过彩虹种子基金的投资,都为合成生物学领域内的初创公司快速发展提供了支持和保障。

(三)新加坡结合自身基础,将资源放在有竞争力的领域

新加坡国立研究基金会于2018年宣布资助一项合成生物学研发计划,支持以下3个方向的研究:菌株产品商业化;通过合成大麻素生物学计划,开发可持续方法提取大麻植物的有效成分以拯救生命的治疗法;实施工业项目,特别是生产稀有脂肪酸这类在制药业中有着重要应用的产品。新加坡国家研究基金会项目总监明确表示,他们不是要在所有范畴争夺第一,而是要在有优势的领域竞争。

相关链接

1.张志强. 国际科学技术前沿报告.2019[M]. 科学出版社, 2020.

2.崔金明, 张炳照, 马迎飞等. 合成生物学研究的工程化平台[J]. 中国科学院院刊, 2018, 033(011):1249-1257.

3.吴晓燕,丁陈君,陈方, 等.合成生物学专利态势分析[J].科学观察,2020,15(1):11-21. 





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