杨胜利院士：数字合成将生命科学推向预测科学
合成生物学作为催动原创突破、学科交叉融合的前沿学科，已成为继发现DNA双螺旋结构所催生的分子生物学革命、人类基因组计划实施所催生的基因组学革命之后的第三次生物技术革命，被《自然》《科学》等国际顶尖期刊及多国智库评为十大颠覆性技术之一，已成为新一轮科技与产业革命的前沿焦点，各国竞相在这一领域制定发展路线图。
随着生命科技（BT）与信息科技（IT）的融合发展，合成生物学将人类带入了设计、创造生命，继而走向“物质自由”的全新阶段，有望改变传统的生产方式。如今，在人工智能的引领与赋能下，合成生物学走到了一个至关重要的发展关口，一些指向未来的创新“核爆点”正在形成。
这一颠覆性技术、革命性思维将引发怎样的变革？在上海市中国工程院院士咨询与学术活动中心日前举行的合成生物学专题院士沙龙上，中国工程院院士杨胜利、中国科学院院士丁奎岭分别作了学术报告，从不同角度介绍合成生物学即将开启的未来“造物时代”所面临的机遇与挑战。
——编者
生命科学自诞生以来，从生物的形态、分类研究逐步发展到细胞生物学、化学生物学，由此进入实验科学时代。而随着分子生物学、基因工程、系统生物学，尤其是合成生物学的出现，生命科学开始从实验科学向工程科学演化。
今天，由合成生物学带动的技术平台已经在很多领域落地应用。合成生物学的研究范式从大数据开始，经历数据挖掘、建模和演算，最后发展到由人工智能（AI）引领的数字合成生物学。它把生命科学推向预测科学，使其有了强大的预测能力，成为融合实验科学、工程科学和预测科学的新兴交叉学科。
打造合成生物学的“数字底座”
生物学的信息特别丰富，不仅涵盖基于基因、环境、表型相互作用产生的各种组学数据，还包括在医学、农业、工业和生态环境等领域应用的数据。对这些数据进行标准化、挖掘、运算和建模，人工智能发挥了很大作用。目前，人工智能已用于蛋白质三维结构预测，以及基因突变与疾病发生、发展相关性的预测。
数字技术将推动和提升合成生物学的研究、转化和产业化。近来，国际上在这一领域的进展相当迅速。已有文献报道，科学家利用大数据和人工智能，实现了目标化合物的化学合成与生物合成路线设计，并由AI化学家完成了化合物的合成。从未来发展看，数字底盘细胞、数字模式生物系统都是合成生物学研究的基础技术平台。
上海是中国合成生物学的重要发源地之一，目前上海合成生物学研究和产业主要集中在提升和扩展发酵工程产业，已成功将多种微生物底盘细胞用于生产植物来源的药物。这也是国内合成生物学研究的主流。在此基础上，上海应尽快拓展合成生物学研究的领域，大力发展数字合成生物学。
作为一个多学科交叉融合的领域，数字合成生物学尤其需要化学、电子、计算机等领域的科学家参与。合成生物学不光是生物学家的事，需要多学科交叉的专业人士共同推进。
数字器官、合成免疫赋能医学
合成生物学是一门以设计为导向的学科，它通过发现、表征和重新利用生命分子来实现新的生物功能。这些创新可能对生物医学的未来产生重大影响。
早在2015年以前，为推动AI药物研发，美国食品药品监督管理局（FDA）就启动了药物毒性预测的创新计划。根据预期，该计划完成后，将有80%至90%的药物毒理实验将不再用小鼠、大鼠等动物模型完成，而是在数字器官里进行，人工智能与机器学习将在这一过程中发挥重要作用。药物毒性的测定将来要从小鼠到计算机，这就是数字医学的重要理念。在发展医学合成生物学上，上海独具优势，应予以大力推进。
其实，已有很多医生在实践如何利用数据挖掘、人工智能，使临床诊断更加精准、便捷、高效。比如，利用大数据、人工智能对图像进行识别，中医目诊现在不仅能查出1厘米内的肺癌，还能精准诊断多囊卵巢综合征，其精准度、灵敏度、特异性均达到了西医诊断标准。
医学合成生物学有很多分支，包括合成生理学、合成免疫学、再生医学等等。但总体而言，这个领域目前还处于起步状态，科学家和医生都在从各自的角度推进相关研究，但大多数时候，他们并没意识到自己从事的是医学合成生物学研究。
合成生理学通过合成生物学的基因软件来调控血糖、矫正代谢紊乱，让患者从疾病状态恢复到健康状态。2011年，就有科学家报道，他们将一种带有黑视素和GLP-1基因的工程细胞植入糖尿病模型小鼠皮下，再通过蓝光照射，刺激基因使GLP-1的分泌增加，最终达到刺激胰岛素分泌、维持体内葡萄糖稳定的目的。
合成免疫学是国际医学界最为火热的前沿领域，它能控制并创建人体的免疫力。现在，疫苗、抗体、细胞治疗等都在通过合成生物学手段调节人体免疫系统。早在十多年前，科学家就通过合成生物学手段抑制肿瘤、制服耐药菌、预防霍乱感染。2021年，国际著名学术期刊《细胞》曾多次报道通过合成生物学手段研发的疫苗诊断试剂和细胞治疗的相关成果进展。
此外，通过合成生物学，科学家可利用自体干细胞制造各种器官组织，解决器官移植中的免疫排斥问题。
合成生物学应用潜力无限
随着人们对生物信息学理解的深入，无论是自然生命还是人工生命，都将被重新整合进数字空间与物理空间相融合的新体系中。除了生物医药领域，合成生物学在农业、环境、能源等领域也有巨大的发展空间。
在农业方面，科学家通过合成微生物对根系微生态进行重组，可促进植物生长，这对于粮食增产具有重要意义。
事实上，食品生产也是目前合成生物学应用的一个热门领域。通过人工合成的微生物可直接合成食品，还能生产更健康或特殊配方的食品。以环保的方式提供高品质食物，对于应对日益严重的全球粮食危机、减少温室气体排放意义重大。目前，美国已经批准了一些合成生物学粮食产品上市。
在环境方面，合成生物学技术可用于控制污染，比如解决重金属污染和中毒问题。
伴随合成生物学的发展，相应技术监管也需同步跟上。目前，世界卫生组织（WHO）对数字化技术在健康管理中的应用指南已经更新到了第三版。FDA也启动了“数字健康FDA行动计划”。希望上海的合成生物学能够形成从大数据到人工智能，从市场应用到监管的完整链条，从而实现从研究、转化到产业化应用的全过程。
作者：杨胜利（许琦敏根据报告整理）
编辑：许琦敏
图片：视觉中国、pixabay
责任编辑：任荃
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