2021年世界前沿科技發展态勢總結及2022年趨勢展望——生物篇
國際技術經濟研究所全體同仁祝各位讀者朋友新年快樂、幸福安康。感謝大家長久以來的關注和支持，也期待未來我們能一直有你相伴。我們将在春節期間連續九天獻上專題文章“年度科技發展态勢總結與展望”，希望能為讀者朋友們提供些許參考。本文為專題文章之生物篇。
世界生物領域2021年态勢總結
世界各國及國際組織加強生物安全及其相關領域的戰略規劃和布局。美國國防部發布《生物防禦願景》備忘錄，評估當前生物威脅情況，研究制定國防部新的生物防禦政策；美陸軍作戰能力發展司令部啟動“DaT計劃”，旨在開發全方位、穩定且具高度适應性的生物威脅檢測模式。歐盟委員會建立歐洲衛生應急準備和響應管理局，以預防、檢測和快速應對衛生緊急情況，并啟動名為“HERA孵化器”的歐洲生物防禦準備計劃，開啟對抗冠狀病毒的新階段。歐洲議會通過歐盟51億歐元的EU4Health健康計劃，旨在提高衛生系統應對跨境健康威脅的韌性和危機管理能力，促進歐盟衛生聯盟的實現。俄羅斯總統普京簽署《俄羅斯生物安全法》，為确保其生物安全奠定國家法規基礎。新加坡國防部籌備建設東南亞首個生物安全四級實驗室，以提高其應對生物威脅的能力。中國正式實施《生物安全法》，标志着中國生物安全進入依法治理的新階段。
前沿生物技術領域頻現重大突破。基因編輯領域，英國弗朗西斯·克裡克研究所和肯特大學開發出可讓小鼠100%産生全部雄性或雌性的CRISPR-Cas9方法；美國博德研究所開發出“先導編輯”的新版本twinPE，可将人類細胞中可編輯的基因長度從幾十對堿基擴展至數千對；中國香港大學研發出利用CRISPR-Cas系統編輯超級細菌的新方法，為抗擊超級細菌帶來新希望。合成生物學領域，中國農業科學院與北京首朗生物技術有限公司實現全球首次從一氧化碳到蛋白質的一步合成，并已形成萬噸級工業産能；中國科學院天津工業生物技術研究所在實驗室首次實現二氧化碳到澱粉的從頭合成；美國加州大學勞倫斯伯克利國家實驗室首次創造出無法自然合成的人工金屬酶及其産物。腦科學領域，美國和西班牙開發出将信息直接發送到大腦視覺皮層的“人工視覺腦”，幫助盲人獲得基本視覺；美國BrainGate團隊開發出無線腦機接口系統，首次實現腦機信号無線高寬帶傳輸；俄羅斯科學院神經研究所開發出可幫助盲人看清物體的大腦皮層神經植入物。幹細胞領域，美國塔夫茨大學艾倫探索中心利用非洲爪蟾胚胎中的幹細胞，創造出有史以來首批能自我複制的活體機器人Xenobots；韓國大邱慶北科學技術院開發出由幹細胞制成的微型機器人，可繞過血腦屏障通過鼻子進入大腦；日本九州大學利用幹細胞創建出可供卵子發育的體外卵泡結構。AI+生物領域，德國德累斯頓工業大學首次開發出用于早期檢測和治療疾病的植入式AI系統；瑞典查爾姆斯理工大學開發出生成式深度學習方法ProteinGAN，有助于更經濟、快速地開發基于蛋白質的藥物和疫苗；美國斯坦福大學設計出可精準預測RNA三維結構的AI算法ARES，成為繼AlphaFold後又一結構預測裡程碑；英國格拉斯哥大學開發出可預測病毒基因組人畜共患病潛力的機器學習模型，将更有效地識别應密切監控并優先開發疫苗的罕見病毒。
新冠病毒持續變異促使各國加緊研發更有效的新疫苗和藥物以及病毒檢測工具，新興技術在其中展現出極大的應用潛力。Delta、Omicron等變異毒株的出現，影響現有疫苗和藥物的有效性，阻礙全球抗疫進程，衆多國家紛紛放棄“徹底消除新冠”戰略。疫苗研發方面，據世衛組織統計，截至2021年12月14日，全球共開展331款新冠疫苗研發，其中137款處于臨床階段，194款處于臨床前階段。美國食品藥品監督管理局正式批準輝瑞和BioNTech的mRNA疫苗BNT162b2，這是其正式批準的首款新冠疫苗；中國首個自主知識産權新冠病毒中和抗體聯合治療藥物安巴韋單抗注射液（BRII-196）及羅米司韋單抗注射液（BRII-198）獲批；印度批準全球首個新冠DNA疫苗ZyCoV-D，預示着DNA疫苗的熱潮即将到來。病毒檢測工具方面，AI、CRISPR基因編輯技術、合成生物學等新興技術極大提升了病毒檢測和藥物設計的效率和準确度。美國霍華德休斯醫學研究所和哈佛醫學院利用CRISPR基因編輯技術開發出肽顯示平台PICASSO，可識别患者血液樣本中的新冠抗體；美國加州大學伯克利分校将兩種不同類型的CRISPR酶相結合，創造出快速檢測新冠病毒RNA的新方法；沙特阿拉伯阿蔔杜拉國王大學利用RNA編輯蛋白開發出可實現便攜式新冠診斷測試的CRISPR技術；世衛組織與西班牙國家研究委員會簽訂全球首個新冠衛生工具許可協議——“COVID-19血清抗體技術許可協議”。
世界生物領域2022年趨勢展望
新冠病毒持續變異成為最大風險，通用新冠疫苗研發或成為各國攻關重點。自2020年2月份發現D614G開始，新冠病毒一直在變異，最近出現的Omicron變體更是展示出極強的免疫逃逸能力和極高的傳染性。未來完全有可能出現緻病性與傳染力更強、令檢測工具失靈、使中和抗體與疫苗無效的超級毒株。病毒變異的不确定性為新冠疫苗研發帶來巨大挑戰，或出現疫苗儲存和交付、疫苗猶豫、突破性感染、疫苗免疫力下降、針對病毒變體無效等問題。美國國立衛生研究院科學家敦促各國在2022年将主要精力集中在表征多動物物種的冠狀病毒遺傳多樣性範圍，了解冠狀病毒的發病機制，開發具有持久、廣泛保護性的冠狀病毒疫苗。通用新冠疫苗研發生産或成為各國下一步攻關重點，從而為全球所有年齡段的人提供針對大多數或所有冠狀病毒的持久保護。
生物安全風險日益嚴峻，美國将争奪全球生物防禦治理權和話語權。後疫情時代，生物威脅和生物安全相關概念受到前所未有的關注和讨論。美國發布《阿波羅生物防禦計劃》，力争在2030年前結束大流行病威脅時代，消除美國應對生物攻擊的脆弱性；美國疾病控制和預防中心預計在2022年資助建立多個公共衛生病原體基因組卓越中心；美國參議員提出《X疾病法案》，拟在2022-2025年向生物醫學高級研究發展局撥款20億美元，創建X疾病醫療對策計劃。美國長期重視生物安全能力建設，或将重新制定、調整和完善生物安全戰略，提高國内生物安全基礎研究能力，加強對各種生物威脅的早期預警偵查和檢測防控工作，争奪生物安全領域的全球治理權和話語權。
人工智能快速發展，加速生命科學和醫療領域向智能化升級。随着算力和人工智能的快速發展，生命科學的各個領域面臨逐步智能化升級。人工智能根據氨基酸序列準确預測蛋白質結構，将開啟一個探索與功能導向的結構生物學新時代，解決包括農作物增産、藥物設計、病理探究以及塑料降解等多領域問題。在全球抗疫的大背景下，醫療影像輔助診斷、智能機器人、新藥研發等人工智能應用場景有望大幅提升。随着人工智能在醫療領域的深入應用，可有效推動解決重大疾病的診治能力缺乏、醫療資源緊缺以及醫療費用不斷增加三大主要難題，革新生物醫藥面貌。
兩用性生物技術風險受到高度重視，各國将繼續加大對兩用技術的監管和規範。基因編輯技術、合成生物學技術、轉基因技術等兩用性生物技術，在為人類健康和社會發展帶來福祉的同時，也伴随一系列潛在風險，一旦被誤用、謬用和濫用，将給人類、動植物和生态環境帶來重大危害，并對國家安全造成威脅。2021年，世衛組織連續發布報告，提出人工智能監管和治理的六項基礎原則；為人類基因組編輯技術的實施、監管提供全新的管理框架等。随着新技術的不斷叠代，生物技術的門檻将更低，兩用生物技術帶來的生物安全與倫理挑戰不容忽視。國際社會對兩用性生物技術及其應用的安全管理也将日趨嚴格。2022年各國将繼續出台相關法律，規範兩用生物技術的研發應用，并加大監管力度。
糧食安全不容忽視，農業創新成為未來農業科技發展的重點方向。人口增長、氣候變化、新冠疫情已深刻影響全球糧食安全，使全球糧食供應鍊面臨巨大壓力。創新氣候智能技術方法，建立現代化農業體系已成為各國的共識和發展舉措。2022年，英國Defra将為農業創新計劃繼續提供兩輪資金，以促進農業生産和可持續發展；美國計劃在未來五年集資10億美元用于氣候智能農業和糧食系統創新；歐盟委員會推出糧食供應和糧食安全應急計劃，拟在2022年年中至2024年完成一系列行動。農業科技領域關鍵技術仍将是各國政府、科技界、産業界發力的重點，生物技術、數字化技術、智能制造技術以及上遊的替代蛋白技術等進一步融合發展，将為農業帶來全方位、全周期變革，增加糧食和農業系統的可持續性、競争力和恢複能力。
作者簡介
劉瑾 國務院發展研究中心國際技術經濟研究所研究四室，研究助理
研究方向：生物安全、生物前沿技術、農業與糧食安全
張芮晴 國務院發展研究中心國際技術經濟研究所研究四室，研究助理
研究方向：生物安全、生态安全、生物醫藥
作者丨 劉瑾、張芮晴
編輯丨 鄭實
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