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生物技术与信息技术融合发展带来的变革

日期:2022-09-16类型:公司新闻

  生物技术与信息技术融合发展带来的变革【摘要】生物技术与信息技术的融合发展,颠覆了生命科学的传统研究范式,提升了人类认识生物、调控生物、改造生物的能力,同时启发了信息技术的仿生研究和发展,驱动新兴信息技术的开发。两者的深度融合,塑造了新产业和新业态,为生物经济的发展带来重要机遇,不仅为破解人类发展所面临的健康、能源、资源、环境等重大问题提供了新思路、开辟了新路径,也改变了人们的观念和生活方式,尤其是促成以“疾病”为中心向以“健康”为中心的转变、从“治已病”向“治未病”的转变,推动“主动健康”模式的形成。

  当前,新一轮科技革命和产业变革加速演进,生命组学、合成生物学、脑科学等生命科学的研究,基因编辑、细胞工程、生物传感等技术的开发和运用,推动人类在认识和理解生命的尺度、维度、深度上不断深入;同时,云计算、大数据、人工智能等新兴信息技术正广泛渗透和应用于各领域,助力千行百业的数字化、智能化发展。近年来,生物技术(BT)与信息技术(IT)的跨界融合,已成为大国博弈的战略制高点,正在催生学术新思想、科学新发现、技术新发明、产业新方向,重塑创新链和产业链。两者的融合,不仅为生物技术、信息技术各自的进步和发展带来重要机遇,同时也为各行各业的高质量发展、经济社会的可持续发展带来新动力。

  当今学科在日益细分的同时,学科间的交叉融合正引领科研范式变革、驱动重大原创突破。其中,生命系统和信息系统在其知识体系中既有其共通的复杂性原理,又有其各自知识范畴内的差异化特征;生物技术与信息技术交叉融合,正成为学科“会聚”的典型范式。

  “会聚”概念的提出及其意义。人类的科技发展史,就是一部多学科交叉、跨领域融合发展的历史。多学科研究也是推动20世纪科学和技术发展的主要动力。通过不同学科之间的高度融合,往往会衍生出全新的学科,例如,化学、物理学与生物学交叉形成分子生物学、生物化学、生物物理学等。当多学科的知识融合和技术集成,用于系统解决复杂问题时,“会聚”(Converging)的概念便应运而生。在此背景下,美国国家科学基金会(NSF)先是在2001年联合其他部门提出“会聚技术”(Converging Technologies),后又在2002年发布《聚合四大科技,提升人类能力纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学》报告,强调了纳米、生物、信息、认知技术的融合或集成。“会聚技术”概念的提出,为研究策略和研究过程提供了新范式,其意义在于突破了学科边界,使不同领域的理论、技术和方法得以集成,并成为重大问题的系统性解决方案。美国国家科学院在其2014年发布的《会聚观》战略报告中指出,“会聚”体现了交叉学科研究的扩展形式,专业知识构成研究活动的“宏观”模块,而各个“宏观”模块又组合形成一个更大的整体。在会聚技术中,生物技术和信息技术具有系统性、综合性等特点,两者的融合有望成为科技和相关产业新发展的突破口。

  信息技术对生物技术的赋能。现代生命科学与生物技术的发展,经历了从分子生物学、基因组学到会聚研究的三次革命。20世纪中叶,DNA双螺旋结构的发现、“中心法则”的提出,奠定了现代生命科学与生物技术的发展基础。20世纪70年代以来,限制性内切酶和基因载体的发现,及其相关转化技术的发明和应用,最终促成以DNA重组技术为标志的分子生物学革命,并为“写基因”奠定了关键的技术基础。从此,以基因克隆、基因定向突变等为基础的基因工程、代谢工程等一系列分子生物学技术得以蓬勃发展。

  20世纪90年代,人类基因组计划的成功实施,标志着生命科学的研究全面达到基因组水平。人类基因组计划就是以多学科交叉、多技术综合手段,有组织、有计划地开展以追求重大科学发现、重大科学数据积累为目标的“大科学”研究范式。继基因组学之后,蛋白质组学、转录组学、代谢组学等“组学”(omics)的研究与广泛运用,“大科学”与“小科学”研究的结合与互补,推动了生命健康科技创新的长足进步。与此同时,基因测序、分子影像等新技术和新工具的不断出现和发展,使人类对生命现象的认识深入至纳米尺度,解析能力也大大提升,不仅实现高精度、高效率、高通量,并逐步实现实时、动态和连续,进而衍生出“数据驱动”的研究范式。

  随着技术的不断突破与进步,生命健康领域的数据已达海量级别。世界范围内产生的医疗健康数据2013年大约为153EB,2020年已达2314EB;到2030年,世界范围内每年产生的基因组数据将达25PB。面对这些海量的数据,如何进行高效的收集、管理、注释、分配、利用等成为特别值得关注并需要解决的问题。大数据、云平台、人工智能等信息技术的发展,赋能“数据驱动”与“假说驱动”两种研究范式的结合,从而促进生命科学与生物技术新一轮的发展。

  生物技术对信息技术的启发。从信息技术的发展历程来看,香农定律、摩尔定律的极限、“内存墙”等问题,正成为其进一步发展的重大挑战。例如,在数据存储方面,随着物联网、移动互联网、科学观测等领域的发展,全球数据正以“井喷式”的速度增长。根据国际数据公司(IDC)的估计,全球每年产生的数据将从2018年的33ZB,增加到2025年的175ZB。同时,现有的基于磁、光、电的存储方法,已无法满足未来海量数据的存储,迫切需要新型、可持续的材料,以突破信息技术进一步发展的瓶颈与限制。另外,如何使计算机能够以“类脑”的思维能力与反应能力对海量数据进行分析和处理,也是当前面临的重大难题。

  面对这些难题,大自然的“智慧”给予了无穷的启迪。生命系统具有极高的信息存储与处理能力、极低的能量消耗,以及高精密的复杂结构,可突破电子计算的性能和物理极限。例如,DNA(脱氧核糖核酸)具有存储信息密度极高、物理化学特性稳定、保存时间长等优势;人脑是由数百种不同类型的上千亿个神经元构成的极为复杂的生物组织,其密度和多样性是现代计算机的数十亿倍,执行计算任务所消耗的能量比现今通用的计算机功耗低很多。目前,尚未有人工系统可与人脑的精密程度相媲美,若能真正了解人脑的工作机制或原理,并从中获得启发,将有助于计算机科学与技术的创新。因此,向生命系统学习和模拟,从仿生、似生、创生、再生等角度寻求新的解决方案,成为信息技术发展新思路、新路径的重要源泉。

  在人类科技发展的前进道路上,生物技术与信息技术的融合将成为孕育思想、破解难题、应对挑战、创造未来的重要动力。DNA计算与存储、数字细胞、器官芯片、类脑计算、脑机接口、“半导体-生物混合系统”等新领域、新方向逐渐进入人们的视野。

  生物技术与信息技术融合的国内外布局。发达国家着眼生物技术和信息技术的相互赋能、融合突破,率先开展了前瞻布局,以期占据科技竞争的战略制高点。美国国家科学基金会早在2008年就开始部署与生物计算相关的研究,并于2009年启动“超越摩尔定律”项目,重点资助量子计算、DNA计算等非传统计算模式的研发。2013年,美国半导体研究联盟启动“半导体合成生物技术”(SSB)研究项目,并于2018年联合美国国家标准与技术研究院(NIST)、情报高级研究计划局(IARPA)等机构发布《半导体合成生物学路线图》,制定了半导体与合成生物学技术未来20年融合发展的重点方向。欧洲“地平线”计划资助的为期五年的Bio4Comp项目,旨在研制功能强大、安全性更高的生物计算机。日本提出的“推进数据整合和人类生物医学研究”战略建议主题,涉及从分子到个体的跨尺度生命科学网络、4D生物组织重塑等。此外,信息技术相关工具手段的开发及应用,在美国、欧洲的“脑计划”和精准医学等重大计划中随处可见。

  我国近年来也加速了生物技术与信息技术融合研究领域的布局。国家重点研发计划聚焦未来生命科学、医药健康产业和经济社会发展等重大需求,2020年开始启动“生物与信息融合(BT与IT融合)”重点专项,通过加强生物技术与信息技术跨界融合研究,兼顾科学创新和技术图谱,引领新经济模式发展,旨在催生一批面向生命健康的颠覆性新技术,形成一批新工具、新技术、新标准与新产品。国家发展改革委2022年5月发布的《“十四五”生物经济发展规划》明确提出:“推动生物技术和信息技术融合创新,加快发展生物医药、生物育种、生物材料、生物能源等产业,做大做强生物经济。”

  生物技术与信息技术融合发展的典型领域。美国的《半导体合成生物学路线图》规划设计了基于DNA的大规模信息存储、基于细胞或细胞启发的信息系统、智能传感器系统和细胞-半导体接口、电子-生物系统设计自动化等主要方向。我国的“生物与信息融合(BT与IT融合)”重点专项聚焦DNA存储、类脑智能与人机交互、生物知识图谱、可编程细胞智能、智慧医疗等融合技术。从各国的相关规划与布局可以看出,DNA存储、生物计算、脑机接口等领域是生物技术与信息技术融合发展的重点。

  DNA存储。DNA作为已知最密集、稳定的数据存储介质之一,其特殊的结构模式是突破存储技术瓶颈的关键,成为该领域研究最广泛的生物存储工具。微软公司与华盛顿大学研究团队于2019年3月已联合开发成功了世界上第一台DNA全自动存储设备;谷歌、华为等国内外企业和机构也正在加速相关技术的研发。

  生物计算。生物计算包括由DNA、RNA启发的计算,细胞感受器启发的类生命体传感,神经网络启发的神经形态计算和类脑芯片等。神经形态计算通过模仿人脑构造来大幅提高计算机的思维能力与反应能力,降低计算能耗;类脑芯片配合类脑计算方法,形成“自主认知”的新范式,突破传统计算机体结构的局限,在海量数据处理上具有优势,并且具有低能耗的特点。例如,清华大学开发的“天机芯”,能够适应基于计算机科学的机器学习算法,也可实现神经形态计算模型和编码方案;英特尔公司推出的类脑芯片“Loihi2”,每个芯片有100万个神经元,能效得到显著提高。

  脑机接口。脑机接口可通过小型电子设备收集脑信号,并对其进行信息处理、特征提取、模式识别等,从而获知人的意图、认知或心理状态,以及神经系统疾病状态等信息,帮助有运动、语言等功能障碍的患者进行康复,提高生活质量,也能通过人脑与电脑的双向通信,提升人类的思维能力、记忆能力、决策能力等。2021年7月,美国国防部下属的高级研究计划局(DARPA)参与研发的脑机接口芯片启动植入人体的临床试验,以验证脑机接口芯片在严重瘫痪患者中的安全性和有效性;Synchron公司开发的脑机接口装置也于2022年5月开始人体临床试验,患者有望利用该试验装置,通过意识对电子设备进行无线控制,以获得不依赖他人而独立执行一些日常任务的能力。

  生物技术与信息技术的融合发展,将促进社会向数字化、智能化、系统化的方向进一步迈进,引发新一轮的科技革命和产业变革,重塑人类的经济生产模式和生活方式。

  驱动科学技术和组织管理模式变革。生物技术与信息技术的融合,极大拓展了科学研究的广度和深度。一方面,技术融合不仅能完成传统生物技术难以胜任的任务,提升生物技术的能力,孕育颠覆性技术创新。另一方面,技术融合还将催生一系列新方向和新业态。例如,生命信息的感知、存储和计算,将催生生物传感器和生物纳米物联网(IoBNT)技术、生物启发的信息通讯技术(BICT)、生物计算机技术等;以高性能计算为代表的人工智能技术,将驱动集生物设计和生物模拟、自动化实验研究于一体的计算机辅助生物学(CAB)的发展。这种跨越多种学科的融合,颠覆了当前科学研究的范式,有可能全面提升科学的“发现能力”、工程的“建造能力”、技术的“发明能力”,以及社会的“创新能力”,以应对来自多领域、多层面的科技和社会挑战,真正实现“如果认知科学家能够想到它,纳米科学家就能够制造它,生物科学家就能够使用它,信息科学家就能够监视和控制它”。

  同时,这种跨越多种学科的融合,也催生了新型研究组织、科研资助模式,以及新的科学数据开放和共享形式、新的产学研合作机制、新的人才培养方式,尤其需要形成支持科学研究及促成研究成果向新产品转化的协作网络,这个“网络”不仅需要政府部门、学术界与产业界的协同,还需要构建与融合发展相适应的生态系统,形成一种有助于融合的文化。

  驱动战略性新兴产业的发展。生物技术与信息技术的融合,在促进各自发展的同时,正深刻地改变医疗健康、制造、农业和服务等领域的业态,驱动产业的新突破。

  数字健康。生物技术与云计算、数据分析等先进信息技术融合,使人类对疾病与生命的本质有了全新的认识,疾病防治正向精准医疗和数字健康转型和提升。利用生物与信息的技术融合,可将基因组、转录组、蛋白组、代谢组、表型组等各类组学产生的生物医学数据,与临床类数据、饮食和运动类数据,以及社会及物理环境信息等连接起来,建立起开放共享的数据网络,综合考量“生物-社会-心理-环境”等复合因素,通过更精细、更准确的疾病分类,提供更精确的诊断和治疗,实现个性化的“一人一方案、一病一路径”。

  近年来,人们的就医需求、习惯、诊疗流程都发生了很大变化,数字技术赋能的医疗健康与传统线下医疗之间的边界日益模糊,在线预约、诊断、康复支持等互联网医疗,正在加速传统医疗服务、管理模式的数字化变革。数字健康正成为人工智能等新兴技术的典型应用场景之一。数字健康是能获取、存储或传输健康及医疗数据,可帮助消费者改善生活方式和健康状况的相关技术、平台或系统,涉及数字监测、数字诊断、电子处方、智能设备、远程医疗等载体,涵盖数字医疗、医药、健保、医检、医养康养、医疗健康云服务等业态。目前,全球有超过5000家企业,从事数字健康方面的技术研发及应用;截至2021年底,美国有至少40款数字疗法产品获美国食品药品监督管理局(FDA)认证许可,我国也有近20款数字疗法产品获得医疗器械注册证。全球数字健康领域融资总额达590亿美元,同比增长81.5%;我国数字健康领域融资额也达到184.1亿人民币。数字健康产业有望成为拉动内需的新动力。

  先进生物制造。生物制造是利用生物体的机能进行物质加工与合成的绿色生产方式,可降低工业过程能耗、物耗,减少废物排放与空气、水及土壤污染,大幅降低生产成本,提升产业竞争力。新兴信息技术的引入,促进了先进生物制造技术的研发,从而使基因合成、酶的理性设计、细胞制造等方面的能力有了质的突破,有助于实现化工原料和过程的生物技术替代,发展高性能生物环保材料和生物制剂,向绿色低碳、无毒低毒、可持续发展模式转型。预计未来十年内,35%的石油化工、煤化工产品可被生物制造产品替代,从而为能源、材料、化工等领域的生产带来极大变革。牛奶、食糖、油脂等食品,一旦实现工业生物制造,将产生颠覆性影响,其全球经济规模也十分可观。

  精准农业。生物和信息技术的融合,还能推动以数字农业、智慧农业和精准农业等为特色的农业新体系的建构,提供名、特、优、新的产品,以及生产、生活、生态、生息“四生共融”的功能,从而使农产品的消费模式由追求温饱型转变为追求安全、营养的健康型。随着物联网、大数据、云计算、卫星遥感、人工智能等新一代信息技术与农业的融合,信息化成为实现农业现代化的重要支撑力量。通过农业全要素、全系统、全过程的数字化,实现农业科学决策和数字化管理;通过智能技术的运用,提高对农业系统综合管控的能力;强调基于农业动植物和空间环境等信息的变化而进行精细管理的精准农业,也将因数字化的助力而迈上新台阶。

  改变人们的健康理念和生活方式。《“健康中国2030”规划纲要》指出:“全民健康是建设健康中国的根本目的。立足全人群和全生命周期两个着力点,提供公平可及、系统连续的健康服务,实现更高水平的全民健康。”其中,“全民健康”意味着关注的重点除患者外,正常人的健康维护同样重要。为了实现这一战略转变,需要改变把维护健康的主要任务交给医院,由医生负责诊断和治疗疾病的传统的“被动健康”模式;需要统筹社会、行业和个人三个层面,形成维护和促进健康的强大合力,建立“主动健康”的全新模式,最终从源头上预防和控制重大疾病,实现从以治病为中心转向以健康为中心。

  “主动健康”是人类健康领域开创性的变革,变革的核心是把维护健康的“主战场”从医院内转移到医院外,把维护健康的主要任务从“治已病”转换为“治未病”。为此,首先要实现理念上的转变,将人们关注的重心从“治病”转换为“健康”,把人们维护自身健康的重任从交给医务人员负责转换为自己作为“第一责任人”。其次要提供行动上的支持,为个体健康状态的早期监测和早期干预提供科学技术的支撑和保障,大力促进物联网、人工智能、大数据等数字技术在健康管理方面的应用,开发数据采集、分析和预测技术,以及基于各种算法和计算模型等的可穿戴设备,为健康状态的监测、预测和预警提供重要支撑。另外,基因检测和细胞治疗等技术为疾病的早期发现、精准诊断、精准预防提供了重要手段;“互联网+医养结合+健康管理”的体系建设和应用,远程监控、诊疗等服务不断满足人民群众的健康需求,进一步为“主动健康”创造了条件。

  尤其值得关注的是,无论是数字健康还是“主动健康”模式,在带给医疗健康领域更多契机,在为人们跟踪、管理和改善自己及家人的健康提供更多便利的同时,也对伦理、安全的监管提出了新挑战,例如,数据安全和数据隐私等方面可能存在监管政策的不足或漏洞,需要密切关注这些新问题、新变化,通过完善相关的法律法规体系,制定评估标准和指南,建立“主动健康”时代的创新生态和治理体系,以实现全面提升全民健康水平的目标。

  (作者为中国科学院上海营养与健康研究所研究员;中国科学院上海营养与健康研究所陈大明研究员及其团队对本文亦有重要贡献)

  ⑤美国科学院研究理事会编,王小理、熊燕、于建荣译:《会聚观:推动跨学科融合生命科学与物质科学和工程学等学科的跨界》,北京:科学出版社,2015年。

  ⑥刘晓、王跃、毛开云等:《生物技术与信息技术的融合发展》,《中国科学院院刊》,2020年第1期 。

  ⑦肖小溪、甘泉、蒋芳等:《“融合科学”新范式及其对开放数据的要求》,《中国科学院院刊》,2020年第1期。

  ⑧李韬、冯贺霞:《数字健康发展国际经验与借鉴》,《医学信息学杂志》,2021年第5期。

  ⑨网经社:《2021年度中国数字健康市场数据报告》,网经社网,2022年2月23日。

  ⑩马延和:《生物制造产业是生物经济重点发展方向》,《中国生物工程杂志》,2022年第5期。

  ⑪赵春江:《智慧农业的发展现状与未来展望》,《华南农业大学学报》,2021年第6期。

  ⑫吴家睿:《实施主动健康战略面临的主要挑战》,《生命科学》,2022年第3期。

  ⑬陈运奇、周琳、杨庭树:《论数字时代人类主动健康与老龄化科技应对》,《中国老年保健医学》,2021年第6期。

  ⑭汪洋、陈枢舒、魏鑫等:《生物技术启发下的信息技术革新》,《中国科学院院刊》,2020年第1期 。