生物经济时代正加速到来,有关生物经济概念范围的探讨也在不断深化,不同国家提出了各自的生物经济发展优先领域,初步形成了几种衡量生物经济的方法。中国生物经济以生物技术和生物资源为两大核心视角,涵盖了农业、食品、制药、医疗器械、健康服务、资源环保和材料化工等多个领域,总体可归纳为生物医药、生物农业、生物制造和“生物+未知”等四大体系。结合情景分析方法,预计到2035年中国生物经济规模可达38万亿~50万亿元。建议在更大范围汇聚共识,进一步深挖面向“美丽中国”的需求,通过深化改革不断释放生物经济发展巨大潜力。
未来产业是新质生产力的主阵地。未来生物医药产业主要是指当前尚处于孕育阶段,由前沿生物医药技术推动,未来在疾病预防、诊断、治疗方面具有广泛应用的产业。然而,未来生物医药产业的发展受技术突破难度和产业发展前景等因素影响,具有巨大的不确定性。为了更加科学、精准、高效地培育我国未来生物医药产业体系,创新性地利用人工智能文本分析技术,对全球主要发达国家知名科研机构近五年的生物医药技术研究项目进行分析,结合专家调研,梳理出当前全球生物医药技术研发重点布局的关键技术,并结合我国国情有针对性地提出政策建议。
时空组学技术(spatiotemporal omics technology)是对组织或细胞在连续的时间和空间维度内观测或检测生命多组学表达和调控特征的技术统称,可以在亚细胞、细胞、组织、器官、个体、群体和进化水平解析由遗传分子决定的生命现象本质。多组学主要包括基因组学、表观组学、转录组学和蛋白质组学。其中,空间转录组学(spatial transcriptomics)近年来发展迅猛,应用较为广泛。对时空组学技术的发展历程、技术原理以及物理极限进行介绍,概述其整体分析流程和经典时空算法,总结时空组学为发育生物学、复杂疾病、神经科学、植物学领域带来的重大突破,同时提出时空组学的技术迭代、分析方法开发、实验设计环节面临的挑战以及对未来发展的展望。
生命健康科技领域是新一轮科技革命和产业变革中最有望实现革命性突破的重点领域之一。随着学科和技术会聚融合,生命健康科技显现出了新的发展趋势,衍生了新学科、新方向、新前沿,创造了新的产业细分领域和增长点。近几年,生命健康科技领域创新活跃,基因编辑、合成生物学、生命组学、再生医学、类器官等前沿领域的重大成果密集涌现。在深入分析生命健康科技领域当前值得特别关注的发展趋势及前沿方向的基础上,展望生命健康科技领域未来发展前景并提出重点布局方向,以期为生命健康领域科技创新发展提供参考。
生物农业是利用现代生物技术提高传统农业生产效率和可持续性的新模式、新业态,既是国际农业竞争的制高点,也是我国生物经济发展的重要板块。近年来,基因工程、蛋白质工程、酶工程、发酵工程等现代生物技术手段在开发研制高产优质新品种、高效环保肥料、健康绿色饲料以及安全和低残留农药等方面取得了一定进展,但在理论、技术以及商业化方面还存在诸多瓶颈。面向未来全面推进乡村振兴和加快建设农业强国的战略需求,介绍生物农业前沿技术创新进展,针对生物农业发展面临的五大挑战提出相应的对策和建议,以期为我国未来农业发展提供借鉴与参考。
合成生物学作为认识生命的“钥匙”、改变未来的颠覆性技术,打开了从非生命物质向生命物质转化的大门,实现生命体系的理性设计与编辑,为生命科学研究提供了新范式,促进生物技术迭代发展,成为未来生物产业发展的驱动力。经过20余年的发展,合成生物学领域已取得系列突破,创新应用逐步实现,学科体系渐成。合成生物学的发展脉络可概括为三个方向:一是使能技术与理论创新的系列突破;二是基因组合成与组装能力的迭代提升;三是细胞工厂和新生物系统的构建与应用。在此基础上,阐述合成生物学学科体系框架,展望未来发展趋势。
食品工业是保障国计民生的支柱产业。随着人口增长、环境污染、气候变化等问题的日益突出,亟需对传统的食品制造工艺进行转型升级。合成生物学的发展为食品制造工艺的变革提供了技术支持。合成生物学能够通过构建细胞工厂将可再生原料转化为重要的食品配料与组分,实现食品的绿色、高效、可持续生物制造。对未来食品制造相对于传统食品制造的特征与优势进行讨论,并列举合成生物学推动食品生物制造的前沿技术和代表性案例,最后对我国基于合成生物学的未来食品制造所面临的机遇与挑战进行展望。
天然产物是大自然赐予人类的资源宝库,与人类的生活质量和健康息息相关。利用传统方式获取天然产物存在含量低、提取工艺复杂耗时以及资源不可持续等问题,而化学合成步骤繁琐、成本高,这些都严重制约了天然产物的广泛应用。合成生物学赋能的微生物细胞工厂通过变革天然产物的传统获取方式,实现高效、绿色及可持续的生物制造。分析天然产物传统获取方式面临的挑战,总结不同类型微生物细胞工厂的特点及天然产物合成案例。基于天然产物代谢通路的复杂性、底盘细胞的稳定性可能导致产物的结构和性质难以预测以及纯度和收率低等问题,从催化元件的局限、途径组装调控及底盘网络重塑的角度分析设计微生物细胞工厂的应对策略,并针对微生物制造产品的发展与应用提出政策建议。
能源是经济社会发展的基础,而降低能源使用过程中的碳排放已成为可持续发展的重要标志。交通领域化石能源碳排放约占全球能源系统碳排放的20%,减排压力巨大。生物液体燃料因其显著的降碳属性,是化石燃料向电气化和氢燃料过渡阶段的理想替代燃料,并逐渐成为交通领域实现碳中和的重要选择。围绕生物乙醇、生物柴油、生物航煤三种主要生物液体燃料,介绍国内外产业发展现状及进展,分析目前存在的问题,探讨不同应用场景下的生物液体燃料的减碳潜力。结合“双碳”发展目标,总结我国生物液体燃料产业面临的挑战与机遇,提出应重点发展纤维素乙醇及乙醇合成生物航煤(alcohol to jetfuel,ATJ)技术,以破解我国产业发展面临的原料供应问题等若干建议。
MicroRNA(miRNA)是一类内源性的、能够特异性调控真核生物细胞内转录后基因表达的非编码单链RNA。近年来,miRNA的调控作用已被广泛应用于溶瘤病毒的设计。一方面,通过在病毒基因组中插入肿瘤内表达下调的组织特异性miRNA的靶序列,可以改变溶瘤病毒的组织趋向性,在达到减毒效果的同时保留其抗肿瘤活性。另一方面,通过在病毒基因组中插入表达天然或人工改造的miRNA,可以促进病毒复制,改善肿瘤微环境,从而增强溶瘤病毒的疗效。讨论目前miRNA调控在溶瘤病毒领域中的应用进展,为优化溶瘤病毒疗法策略提供参考。
在长期的共同进化过程中,噬菌体与细菌宿主之间产生了复杂的相互作用关系。群体感应(quorum sensing,QS)机制在噬菌体和细菌的双向相互作用中扮演了重要角色。综述细菌宿主对群体感应机制的利用,群体感应对生物被膜调节、噬菌体吸附过程以及调控CRISPR-Cas系统等方面所起到的效果,从噬菌体对群体感应机制的介入,总结群体感应机制在噬菌体溶原-裂解性调节以及噬菌体对群体感应机制的抑制,探讨对噬菌体QS机制的挖掘和解析,以期为群体感应机制在噬菌体治疗等领域的应用提供理论依据。
群体感应(quorum sensing,QS)作为依赖菌群密度调控基因表达的基因调控系统,被称为细胞间的交流语言。QS在许多自然及废水处理工程系统中被发现,对环境修复及废水生物处理资源化起到重要的促进作用。总结细菌三种类型的典型信号分子(酰基高丝氨酸内酯类、寡肽类和呋喃酰硼酸二酯类)介导的QS机理,综述信号分子的添加或猝灭、基因的遗传操作、组学技术这三种研究QS系统功能的技术及并对比分析各种方法的优缺点,探讨QS在工业废水生物处理领域中活性污泥、生物膜及生物脱氮方面的应用。结合目前对QS的跨界通讯在废水处理方面的应用潜力和已知研究内容的局限性,对QS系统介导的细菌-植物、细菌-噬菌体、细菌-真菌跨界通讯机制等方面的研究进行展望,以期为利用QS调控策略强化废水处理效率提供新的思路。
二氧化碳作为下一代生物制造原料,其高效转化和利用对于实现低碳、绿色和可持续发展具有重要意义。发展二氧化碳生物转化技术有助于减少温室气体排放,促进碳中和目标的实现,推动经济增长和产业变革,并将在构建可持续未来中发挥关键作用。通过系统性调研二氧化碳生物转化技术的全球政策布局、科学研究进展和产业化现状,力求呈现二氧化碳生物转化技术的当前发展态势与研发活动特点。研究发现,美国、欧盟、英国、日本等主要经济体都纷纷出台负碳生物制造战略,菌种挖掘、代谢改造、产品创新、产能放大和工艺改进是当前研究重点,产业化面临产品品类少、生产成本高等瓶颈问题。对此,建议政府和产业界采取激励措施,提供更加有利于技术创新和产业转化的环境。
近年来,绿色低碳、环境友好、资源节约的生物基材料(bio-based materials)在生产生活中的应用规模不断扩大。基于Incopat专利数据库,梳理近五年世界范围内生物基材料领域的专利,分析其主要技术构成、主题聚类及高价值专利,并综合国内外热点文献,深入剖析生物基塑料、生物基化学纤维、生物基橡胶、生物基涂料、生物基材料助剂、生物基复合材料及其他生物基制品等不同类型生物基材料的研究现状与应用前景。
日益严重的细菌耐药性给全球公共卫生带来了重大挑战,噬菌体疗法作为细菌感染治疗的替补疗法,近年来重新得到医生、研究者和产业界的重视。噬菌体是特异性感染细菌的一类病毒。噬菌体疗法可以精准靶向并清除病原菌而不破坏自然环境微生态及人体正常菌群。由于噬菌体的活病毒属性、杀菌特异性等特征,使得噬菌体的药学、非临床和临床研究有别于传统药物。目前,国内外尚缺乏相关规范和指南,限制了噬菌体的转化应用和推广。为此,基于国内外前期噬菌体治疗临床研究的经验,并参考噬菌体治疗相关文献报道,组织噬菌体基础研究、临床、药学等领域专家,起草了本共识。对入库噬菌体的来源、噬菌体宿主、入库噬菌体的生物学特性以及入库噬菌体的包装与标识提出要求,旨在规范应用型噬菌体的标准,并满足噬菌体库的共享需求,加速推动噬菌体的研究、转化及应用。
