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2021年世界前沿科技发展态势总结及2022年趋势展望——生物篇

  BOB手机体育app美国国防部发布《生物防御愿景》备忘录,评估当前生物威胁情况,研究制定国防部新的生物防御政策;美陆军作战能力发展司令部启动“DaT计划”,旨在开发全方位、稳定且具高度适应性的生物威胁检测模式。欧盟委员会建立欧洲卫生应急准备和响应管理局,以预防、检测和快速应对卫生紧急情况,并启动名为“HERA孵化器”的欧洲生物防御准备计划,开启对抗冠状病毒的新阶段。欧洲议会通过欧盟51亿欧元的EU4Health健康计划,旨在提高卫生系统应对跨境健康威胁的韧性和危机管理能力,促进欧盟卫生联盟的实现。俄罗斯总统普京签署《俄罗斯生物安全法》,为确保其生物安全奠定国家法规基础。新加坡国防部筹备建设东南亚首个生物安全四级实验室,以提高其应对生物威胁的能力。中国正式实施《生物安全法》,标志着中国生物安全进入依法治理的新阶段。

  前沿生物技术领域频现重大突破。基因编辑领域,英国弗朗西斯·克里克研究所和肯特大学开发出可让小鼠100%产生全部雄性或雌性的CRISPR-Cas9方法;美国博德研究所开发出“先导编辑”的新版本twinPE,可将人类细胞中可编辑的基因长度从几十对碱基扩展至数千对;中国香港大学研发出利用CRISPR-Cas系统编辑超级细菌的新方法,为抗击超级细菌带来新希望。合成生物学领域,中国农业科学院与北京首朗生物技术有限公司实现全球首次从一氧化碳到蛋白质的一步合成,并已形成万吨级工业产能;中国科学院天津工业生物技术研究所在实验室首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成;美国加州大学劳伦斯伯克利国家实验室首次创造出无法自然合成的人工金属酶及其产物。脑科学领域,美国和西班牙开发出将信息直接发送到大脑视觉皮层的“人工视觉脑”,帮助盲人获得基本视觉;美国BrainGate团队开发出无线脑机接口系统,首次实现脑机信号无线高宽带传输;俄罗斯科学院神经研究所开发出可帮助盲人看清物体的大脑皮层神经植入物。干细胞领域,美国塔夫茨大学艾伦探索中心利用非洲爪蟾胚胎中的干细胞,创造出有史以来首批能自我复制的活体机器人Xenobots;韩国大邱庆北科学技术院开发出由干细胞制成的微型机器人,可绕过血脑屏障通过鼻子进入大脑;日本九州大学利用干细胞创建出可供卵子发育的体外卵泡结构。AI+生物领域,德国德累斯顿工业大学首次开发出用于早期检测和治疗疾病的植入式AI系统;瑞典查尔姆斯理工大学开发出生成式深度学习方法ProteinGAN,有助于更经济、快速地开发基于蛋白质的药物和疫苗;美国斯坦福大学设计出可精准预测RNA三维结构的AI算法ARES,成为继AlphaFold后又一结构预测里程碑;英国格拉斯哥大学开发出可预测病毒基因组人畜共患病潜力的机器学习模型,将更有效地识别应密切监控并优先开发疫苗的罕见病毒。

  新冠病毒持续变异促使各国加紧研发更有效的新疫苗和药物以及病毒检测工具,新兴技术在其中展现出极大的应用潜力。Delta、Omicron等变异毒株的出现,影响现有疫苗和药物的有效性,阻碍全球抗疫进程,众多国家纷纷放弃“彻底消除新冠”战略。疫苗研发方面,据世卫组织统计,截至2021年12月14日,全球共开展331款新冠疫苗研发,其中137款处于临床阶段,194款处于临床前阶段。美国食品药品监督管理局正式批准辉瑞和BioNTech的mRNA疫苗BNT162b2,这是其正式批准的首款新冠疫苗;中国首个自主知识产权新冠病毒中和抗体联合治疗药物安巴韦单抗注射液(BRII-196)及罗米司韦单抗注射液(BRII-198)获批;印度批准全球首个新冠DNA疫苗ZyCoV-D,预示着DNA疫苗的热潮即将到来。病毒检测工具方面,AI、CRISPR基因编辑技术、合成生物学等新兴技术极大提升了病毒检测和药物设计的效率和准确度。美国霍华德休斯医学研究所和哈佛医学院利用CRISPR基因编辑技术开发出肽显示平台PICASSO,可识别患者血液样本中的新冠抗体;美国加州大学伯克利分校将两种不同类型的CRISPR酶相结合,创造出快速检测新冠病毒RNA的新方法;沙特阿拉伯阿卜杜拉国王大学利用RNA编辑蛋白开发出可实现便携式新冠诊断测试的CRISPR技术;世卫组织与西班牙国家研究委员会签订全球首个新冠卫生工具许可协议——“COVID-19血清抗体技术许可协议”。

  新冠病毒持续变异成为最大风险,通用新冠疫苗研发或成为各国攻关重点。自2020年2月份发现D614G开始,新冠病毒一直在变异,最近出现的Omicron变体更是展示出极强的免疫逃逸能力和极高的传染性。未来完全有可能出现致病性与传染力更强、令检测工具失灵、使中和抗体与疫苗无效的超级毒株。病毒变异的不确定性为新冠疫苗研发带来巨大挑战,或出现疫苗储存和交付、疫苗犹豫、突破性感染、疫苗免疫力下降、针对病毒变体无效等问题。美国国立卫生研究院科学家敦促各国在2022年将主要精力集中在表征多动物物种的冠状病毒遗传多样性范围,了解冠状病毒的发病机制,开发具有持久、广泛保护性的冠状病毒疫苗。通用新冠疫苗研发生产或成为各国下一步攻关重点,从而为全球所有年龄段的人提供针对大多数或所有冠状病毒的持久保护。

  生物安全风险日益严峻,美国将争夺全球生物防御治理权和话语权。后疫情时代,生物威胁和生物安全相关概念受到前所未有的关注和讨论。美国发布《阿波罗生物防御计划》,力争在2030年前结束大流行病威胁时代,消除美国应对生物攻击的脆弱性;美国疾病控制和预防中心预计在2022年资助建立多个公共卫生病原体基因组卓越中心;美国参议员提出《X疾病法案》,拟在2022-2025年向生物医学高级研究发展局拨款20亿美元,创建X疾病医疗对策计划。美国长期重视生物安全能力建设,或将重新制定、调整和完善生物安全战略,提高国内生物安全基础研究能力,加强对各种生物威胁的早期预警侦查和检测防控工作,争夺生物安全领域的全球治理权和话语权。

  人工智能快速发展,加速生命科学和医疗领域向智能化升级。随着算力和人工智能的快速发展,生命科学的各个领域面临逐步智能化升级。人工智能根据氨基酸序列准确预测蛋白质结构,将开启一个探索与功能导向的结构生物学新时代,解决包括农作物增产、药物设计、病理探究以及塑料降解等多领域问题。在全球抗疫的大背景下,医疗影像辅助诊断、智能机器人、新药研发等人工智能应用场景有望大幅提升。随着人工智能在医疗领域的深入应用,可有效推动解决重大疾病的诊治能力缺乏、医疗资源紧缺以及医疗费用不断增加三大主要难题,革新生物医药面貌。

  两用性生物技术风险受到高度重视,各国将继续加大对两用技术的监管和规范。基因编辑技术、合成生物学技术、转基因技术等两用性生物技术,在为人类健康和社会发展带来福祉的同时,也伴随一系列潜在风险,一旦被误用、谬用和滥用,将给人类、动植物和生态环境带来重大危害,并对国家安全造成威胁。2021年,世卫组织连续发布报告,提出人工智能监管和治理的六项基础原则;为人类基因组编辑技术的实施、监管提供全新的管理框架等。随着新技术的不断迭代,生物技术的门槛将更低,两用生物技术带来的生物安全与伦理挑战不容忽视。国际社会对两用性生物技术及其应用的安全管理也将日趋严格。2022年各国将继续出台相关法律,规范两用生物技术的研发应用,并加大监管力度。

  粮食安全不容忽视,农业创新成为未来农业科技发展的重点方向。人口增长、气候变化、新冠疫情已深刻影响全球粮食安全,使全球粮食供应链面临巨大压力。创新气候智能技术方法,建立现代化农业体系已成为各国的共识和发展举措。2022年,英国Defra将为农业创新计划继续提供两轮资金,以促进农业生产和可持续发展;美国计划在未来五年集资10亿美元用于气候智能农业和粮食系统创新;欧盟委员会推出粮食供应和粮食安全应急计划,拟在2022年年中至2024年完成一系列行动。农业科技领域关键技术仍将是各国政府、科技界、产业界发力的重点,生物技术、数字化技术、智能制造技术以及上游的替代蛋白技术等进一步融合发展,将为农业带来全方位、全周期变革,增加粮食和农业系统的可持续性、竞争力和恢复能力。