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和记生物科技的应用场景和发展趋势

作者:bob 时间:2023-01-14 20:22

  【择要】近20年来,性命科学和生物手艺快速开展,基因编纂、分解生物学、脑科学、干细胞、生物信息存储、生物育种等前沿科学手艺开展给人类消费糊口带来诸多盈余。一方面,性命科学的开展深入地改动了人类对性命素质及其运转纪律的熟悉;另外一方面,生物手艺的普遍使用引领了医学、农业、食物、能源、情况等范畴的科技前进,史无前例地提拔了人们的糊口质量,为人类安康和经济社会开展作出了主要奉献。

  21世纪初“人类基因组方案”完成,性命科学进入到组学与体系生物学的新阶段,大批庞大性命历程与疾病机制被分析,基因编纂、分解生物学、脑科学、干细胞手艺和生物手艺与野生智能的分离,正在谱写极新的生物科学篇章。近20年来,性命科学和生物手艺快速开展,显现出前沿生物手艺探究放慢、推翻性功效与使用不竭出现的趋向。

  基因编纂的精准性进一步提拔,使用潜力不竭加强,多种基因编纂东西获得开辟。好比,CRISPR/Cas3基因编纂体系能够在人胚胎干细胞中完成段的基因敲除,编纂服从到达13%60%。新型基因编纂手艺SATI可以使早衰小鼠寿命耽误45%。CRISPR活细胞荧光原位杂交(CRISPRLiveFISH)手艺能够及时观察活细胞中基因组编纂的静态变革。超准确基因编纂东西Prime Editor可以不再依靠DNA模版便可完成单碱基自在转换和多碱基增删,无望改正89%的已知致病性人类遗传突变。

  分解生物学操纵卵白质设想开辟全新卵白质功用,在医治人类疾病方面获得系列停顿。美国科学家构建出能安排在活细胞中并调控细胞功用的野生卵白开关,重新设想分解出的抗癌卵白大幅提拔了抗癌结果并完全消弭了自然卵白毒副感化。别的,分解生物学经由过程设想非自然生物体系,极大扩大了性命的能够性。以色列研讨职员创制出可牢固二氧化碳的大肠杆菌,使其从异摄生物酿成自摄生物。美国研讨职员设想出一种无细胞酶反响系统,能够挣脱细胞限定,使输入的生物资能高产量、高消费率和高滴度地转化为所需的产物。

  干细胞手艺鞭策人造器官和再生医学加快开展。日本大阪大学于2020年完成环球首例引诱多功无能细胞培育角膜的移植手术。奥天时科学院份子生物手艺研讨所等机构操纵多功无能细胞培养出“高仿真”血管类器官,增进了血管疾病研讨。别的,微型芯片小肠、迷你心脏、重修胸腺等人造器官也接踵呈现。与此同时,干细胞的新范例和新机制也不竭被发明。日本研讨团队操纵多光子显微镜,捕获到小鼠胎儿脑构造中神经干细胞的外形变革,发明神经干细胞能灵敏地再生柱状形状。中国科学院分仔细胞科学杰出立异中间的研讨职员在小鼠身上发明一群新型细胞Procr+,并证明Procr+细胞是胰岛中的成体干细胞。

  脑科学根底研讨不竭获得严重打破。美国威斯康星大学麦迪逊分校研讨职员在山公脑中植入电极,将疑似与认识相干的地区准确锁定到中心外侧丘脑的细小地区。美国184个差别机构的360多位科学家协作绘制出环球首个大脑皮层基因图谱,提醒了大脑灰质遗传构造。同时,光遗传学手艺的开展也为脑科学研讨供给了有力东西。该手艺经由过程基因革新神经细胞,使其具有对光发生反响的卵白质。当光映照到细胞时,这些神经细胞里的电子举动就会被触发,因而可用光来掌握神经细胞的电举动。

  性命图谱绘制范畴日趋扩展,精准度不竭提拔。性命图谱绘制正逐步从份子图谱扩大到细胞图谱,为人们多条理了解性命体系、熟悉和医治疾病供给撑持。美国科学家对果蝇大脑停止了纳米级成像,以后操纵谷歌云张量处置器(TPU)重修了高达40万亿像素的果蝇完好大脑图象。德国科学家也重修了小鼠大脑皮层神经收集,提醒了迄今最大的哺乳植物神经毗连组。别的,德、法、英、美等国的科学家也别离绘制出愈加完好的人类肝细胞图谱、肾细胞图谱、奇丽隐杆线虫神经图谱等。

  生物手艺与信息手艺交融开展,生物存储与计较手艺成为打破性的手艺。分解生物学的前进鞭策生物份子成为数据存储的优良载体,以DNA存储为代表的生物存储与计较手艺获得系列打破。中国科学院长春景学精细机器与物理研讨所的科学家利用32条DNA链创立出一种能够存储和处置数据的DNA生物计较体系。美国斯坦福大学开辟出低能耗类脑人造突触,完成运算、存储同步。3D 细胞打印、人机警能等推翻性手艺的开展,将成为经济社会、性命安康、绿色可连续开展等范畴的新动力。

  生物育种手艺的开展有用进步了食粮等主要农产物的消费才能和质量。1983年,天下上初次报导得到了生物工程作物转基因烟草再生植株。1986年,首批经生物工程处置的棉花被核准停止田间实验。矮化育种、劣势操纵鞭策了种业手艺的严重变化;基因编纂手艺能够准确、快速地改进农作物的生物性状,鞭策农业变化;基因编纂、全基因组挑选等生物手艺与大数据、野生智能等当代信息手艺穿插交融,有用地鞭策了精准化、高效化、智能化的种业手艺,驱动了当代育种手艺的快速迭代。

  当代生物科学开展与人类糊口息息相干,已普遍使用于食粮、安康、生齿、能源、情况等范畴,关于处理人类面对的食粮宁静、严重疾病、能源危急、情况净化等严重成绩,鞭策经济社会开展,改恶人民糊口质量,阐扬着日趋明显的感化。

  生物手艺在农业范畴的使用,动员当代生态农业开展。一是生物防治病虫害和消弭净化。微生物的生物催化活性普遍,操纵富集培育法险些能够找到任何一种降解含毒有机化合物的微生物,因而具有降解感化的微生物及其酶制剂成为当前消弭净化的有力手腕。在农业范畴中利用生物防治、生物固氮等新手艺,也有助于改动农业过火依靠石油化工的场面。和记在农业消费中,可使用转基因手腕将差别种属动物的基因份子停止基因拼接,缔造出优良高效新种类。同时,该手艺关于果实延熟保鲜,进步作物的抗寒抗盐性也有很大使用空间。二是转基因作物研发。跟着动物基因工程枢纽手艺的打破,转基因作物获得有用推行,现有栽种转基因作物的国度笼盖生齿总量超越天下生齿的一半。经由过程转基因手艺研发胜利的转基因黄金大米,在大米直达入胡萝卜素,让贫穷地域的孩子可以改进维生素A缺少症;转植酸酶基因玉米处理了植酸中的磷不成操纵的成绩,进步了玉米饲料的养分,削减了植物磷吸收净化;美国已上市的高油酸大豆食用油能够替代氢化油,制止了反式脂肪的成绩;中国科学家培养的转基因抗黄瓜花叶病毒(CMV)的番茄“8805R”、甜椒“双丰R”等获得明显的农业经济效益。

  生物手艺在医疗安康范畴的使用,大幅进步了人类性命安康程度。一是生物制药、医疗新手艺开辟。生物制药次要是使用基因工程、细胞工程等的研讨功效,为医疗诊断及临床医疗救治供给手艺撑持,如:能够经由过程改动植物基因发生所需的胰岛素,为糖尿病患者供给宁静有用的诊治;经由过程特同性分离研讨制作出靶向药物;对中药动物构造细胞停止野生培摄生产中药的有用身分;等等。部门生物手艺的呈现将会给医疗卫生界带来推翻性变化,如试管婴儿手艺给许多家庭带来了福音。别的,生物手艺关于濒危物种庇护也供给了极大助益。

  二是基因医治。基因疗法临床实验加快促进,为霸占人类严重疾病带来期望。如CRISPR-Cas9基因疗法被间接用于临床实验,并胜利治愈遗传性致盲疾病“莱伯氏天赋性黑蒙症”。2020年6月,我国胜利施行了多基因编纂猪恒河猴异种肝、心、肾器官移植。美国研讨职员利用CRISPR基因编纂手艺剔除非人灵长类植物基因组中一种与人类免疫缺点病毒亲密相干的猴免疫缺点病毒,为治愈艾滋病带来了曙光。在新冠肺炎疫情中,基于CRISPR基因编纂手艺开辟的检测东西能够在1小时内测出新冠病毒;操纵分解基因组学平台对新冠病毒停止化学分解和从头设想,有助于快速研讨新冠病毒及其变异状况。

  三是分解生物医治。在癌症医治方面,2020年6月,美国一家微生物医药公司(Synlogic Therapeutics)的研讨职员基于大肠杆菌开辟出用于医治癌症的生物学疗法。2020年9月,英国伦敦癌症研讨学院研讨职员开辟出一种基于机械进修和群体遗传学的肿瘤亚克盛大修办法。2020年11月,中国合生基因公司基于分解生物手艺开辟的基因医治产物SynOV1.1得到美国食物药品监视办理局的临床实验答应,无望用于医治包罗中晚期肝癌在内的甲胎卵白(AFP)阳性实体瘤。

  四是干细胞医治。2019年3月,一位被称为“伦敦病人”的艾滋病患者承受干细胞移植医治后,在很长的察看期内都未再检测到活泼的艾滋病病毒,证据表白这名病人是继“柏林病人”后第二名被治愈的艾滋病患者。2020年6月,中国陆军军医大学研讨职员培养出一种具有抗菌、抗毒、抗炎和构造修复才能的“三抗一修”间充质干细胞。

  五是脑疾病医治。脑疾病发活力制与诊治战略也有新的探究。2020年4月,中国科学院脑神经科学研讨所研讨职员使用靶向核糖核酸(RNA)的CRISPR/CasRx体系,初次在成体中完成视神经节细胞的再生,规复了永世性目力毁伤模子小鼠的目力,并将帕金森模子小鼠的活动停滞逆转到靠近一般小鼠的程度。脑科学的快速开展还鞭策了脑机接术的加快使用。2020年1月,浙江大学研讨职员操纵高精度的手术机械人在一名72岁高位截瘫意愿者脑内植入犹他阵列电极,完成意图念掌握机器手臂完成进食、饮水和握手等一系列上肢主要功用活动。

  生物手艺在食物范畴的使用,丰硕了人类食物质料滥觞。一是基因改进。操纵当代生物手艺对农产物性状停止改进,对作物的色彩、外形、巨细、养分身分、产量停止调解。如科学家经由过程修正分解乙烯的基因,有用削减了内源乙烯含量,耽误了生果保鲜工夫。别的,转基因生物疫苗手艺也获得开辟,经由过程生物手艺将相干基因导入到诸如香蕉等生果中,经由过程食用此类生果便可获得响应疫苗,使转基因生果得到生物免疫功用。二是发酵菌类。从几千年前传统发酵食物如酱油、食醋、腐乳等的萌发,到当代生物手艺的高速开展改革,食物生物手艺有着长久的汗青传承。将生物手艺使用于改进加工食物历程的发酵菌类,比方,科学家经由过程基因重组手腕将编码木聚糖酶和葡聚糖酶的基因转入酵母菌体内,使得酵母菌具有降解阿拉伯木聚糖和葡聚糖的才能,有用处理了啤酒酿造中的顺手困难。三是食物检测。食物生物手艺检测与传统化学物理办法相分离,具有操纵简朴、成果精准、本钱昂贵的劣势,可以有用检测出有害微生物、食物上残留的农药,制止食物宁静隐患成绩,为我国将来的食物宁静供给保证。四是酶工程手艺。该手艺操纵传统突变手艺或份子生物学手艺,使卵白质上的氨基酸发作突变,以改动卵白质的化学性子和功用。在食物范畴,充实使用酶工程手艺,可以有用地催化食物,促使食物等物资进一步的转化,从而满意人们日趋增加的需求。在食物产业中酶最大的用处是淀粉加工,其次是乳品加工、果汁加工、烘烤食物及啤酒发酵等。今朝还开展出了多品种此外酶,包罗增进卵白质消化的酶(菠萝卵白酶)、增进纤维素消化的酶(纤维素酶)、增进乳糖消化的酶(乳糖酶)和增进脂肪消化的酶(脂肪酶)等。

  生物手艺在能源范畴的使用,有益于处理人类面对的能源危急。一是可再生能源。生物资具有效途普遍、废料再生操纵、经济效益明显和产量充沛四大特征。因为环球能源储蓄(石油、煤、自然气等)的有限性,天然界中可再生的生物质本不成无视。生物资能源根据滥觞的差别能够分为林业烧毁物、农业烧毁物、城镇渣滓和产业有机烧毁物等,因为其具有绿色、低碳、干净、可再生等特性,在开展节能环保、干净消费、低碳减排的绿色经济中有着普遍使用。在西欧等兴旺国度,生物资能发电已构成十分成熟的财产,成为一些国度主要的发电和供热方法。二是干净能源。开展干净能源是将来能源业建立的主要标的目的,而生物资能源作为可再生干净能源,同时也是我国仅次于煤炭、石油、自然气的第四大能源,约占天下能源消耗的10.0%。生物资能源关于节能减排具有主要意义,生物资发电不只能完成“碳中和”,在我国完成“碳达峰”后还可替换部门煤电,成为电网调峰的主要力气。

  生物手艺在情况庇护范畴的使用,有助于成立优良的生态情况。一是情况监测。当代生物手艺成立了新的快速精确监测与评价情况的有用办法,如人们可将聚合酶链式反响(PCR手艺)使用于情况检测过程当中,可以有用收缩反响流程耗时并提拔致病菌检测的精确性。该手艺以至可对水体中多样杆菌停止精确检测,极大地提拔了水样检测的精确性和服从。别的,情况DNA手艺在水生生物监测中可用于监测特定物种如濒危物种和入侵物种、查询拜访生物多样性、评价资本量及监测物种的遗传多样性等。二是净化管理。污水中有毒物资的身分非常庞大,包罗各类酚类、氰化物、重金属等,微生物可以经由过程本身的性命举动将污水中的有毒物资转化为无益的无毒物资,使污水获得净化。固体废料的生物降解道理使用于都会渣滓的“生物反响堆”,与堆肥、燃烧、热处置等办法比拟,具有本钱低、操纵简朴、易办理等长处。生物手艺还可使用于情况修复,操纵生物共同的合成有机物资的才能,肃清情况净化物,今朝曾经有益用戈壁动物修复科威特石油净化泥土的研讨事情。

  生物手艺在产业、制作业范畴的使用,进一步进步了消费服从和质量。一是产业使用。产业生物手艺操纵微生物来消费很多主要的产物,比方生物燃料、酶制剂、抗生素等。经由过程产业菌种的特别代谢途径,进步了反响的埋头性,一方面有益于节能,另外一方面发生的烧毁物量也较低,因而也被称为绿色产业。别的,生物工程可用于一系列可连续质料消费,如由纤维素制成的生态塑料,在表面上与一般塑料并没有太大不同,但会在几年内完整降解,而且在燃烧时不会留下任何残留物。在产业生物手艺碳收受接管方面,中国科研职员在环球初次完成从一氧化碳到卵白质的分解。该手艺操纵自然存在的一氧化碳和氮源(氨)大范围生物分解卵白质(乙醇梭菌卵白,一种新型饲料卵白资本),大幅进步了反响速率。专家预算,使用该手艺后,以产业化消费1000万吨乙醇梭菌卵白(卵白含量83%)计,相称于2800万吨入口大豆(卵白含量30%)当量,可削减二氧化碳排放2.5亿吨。二是制作业使用。中国科学家的打破性功效野生分解淀粉带来了消费范式的变化。野生淀粉分解代谢路子(ASAP)完成了在无细胞体系中操纵二氧化碳和氢气合造淀粉的严重停顿。野生分解淀粉的服从约为传统农业消费淀粉的8.5倍。在充沛能量供应的前提下,根据今朝手艺参数,实际上1立方米巨细的生物反响器年产淀粉量相称于我国5亩玉米地的年产淀粉量。该手艺的使用使淀粉消费方法的生物产业制作成为能够。

  生物科技的开展是近当代人类文化开展的缩影。当前,生物科技的新一轮变化,正普遍浸透到人类经济、社会的各个范畴。与其他范畴高科技比拟,生物科技是关于生物和性命存在、开展、演变的科技,是关于人本身内涵指向的科技。在将来,跟着生物科技的性打破,人类熟悉生物、革新操纵天然的才能将提拔到新高度,人与生物将到达更高程度的调和共生。

  ②刘小玲、雷蓉:《从当选中国科学十大停顿看分解生物学的开展》,《科技中国》,2022年第4期。

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