颠覆性生物技术——生命铸造厂计划实施情况及进展
颠覆性生物技术——
生命铸造厂计划实施情况及进展
李鹏 楼铁柱
军事医学科学院卫生勤务与医学情报研究所
本文由作者授权发布
2016年5月，美国国防高级研究计划局（DARPA）在五角大楼举办的名为“致力于加快改变游戏规则的技术转型”的年度展示日中，对生物技术办公室（BTO）负责的11项计划进行了集中展示，其中生命铸造厂（Living Foundries）获得了极大的关注，而美军也将生命铸造厂确定为未来三大颠覆性生物技术之一。本文将介绍生命铸造厂计划实施情况、最新进展以及军事应用前景。
一、计划背景及实施情况
生命铸造厂（Living Foundries）是基于生物体的新型材料设计、制造技术，是利用合成生物学技术实现材料的标准化设计和制造，强化按需设计、按需制造和生产超常材料的能力。早在2012年美军就提出了生命铸造厂计划，主要承担机构有美国斯坦福大学、哈佛大学、麻省理工学院、加州理工学院、文特尔研究所以及Amyris公司等，项目主管单位为美国国防高级研究计划局生物技术办公室。生命铸造厂计划自2011年5月启动以来已累计部署经费3.5-4亿美元。
生命铸造厂的设计原理是利用合成生物学技术，以自然界已有的自然物质或合成物质为基础，构建基于生物体的新型制造平台，将生物设计、研发、制造过程变成工程设计问题，通过对自然生物的操纵来获取原创性新材料、新器件、新系统和新平台，实现军用高价值材料和设备的“按需设计与生产”，该研究的最终目标是压缩生物设计、制造、测试周期和成本，实现生物元器件和生物制造平台的模块化标准化设计，推动生物制造平台质的突破
图 1 生命铸造厂技术实现原理
2014年10月，美国国防高级研究计划局又启动了“生命铸造厂——千分子”（Living Foundries: 1000 Molecules）计划，该计划是利用生物技术工具和工艺开展规模化精细试验，通过跨学科合作打造革命性的生物工程平台，提供新的材料、功能结构以及制造模式，作为验证，研究计划最终预期产生1000个自然界不存在的、独特的分子及化学结构模块，因此该计划全称为“生命铸造厂：千分子”。“千分子”计划是对生命铸造厂计划的补充完善。两个计划将充分利用合成生物学的技术平台，追求在材料、传感、制造领域的转化应用，创造美国的战略和经济优势。
图 2 生命制造厂及千分子计划整体思路
二、总体目标及关键技术
生命铸造厂计划的总目标包括以下2个方面：
目标一：建设可快速进行分子结构前哨组织设计的综合基础设施，能提供模块化、标准化的技术设计平台，该综合基础设施的工程规模（吞吐量）和复杂性（设计和分析）必须能超越目前已有的工程结构数个量级。
目标二：实现革命性应用，努力开辟新的应用领域，包括新材料、传感设备、新药物等，着眼于在设计、制造、测试、分析全阶段的自动化实现。
生命铸造厂计划的关键技术包括以下4个方面：
一是基础计算平台，该基础计算平台是基于端到端的过程监控技术，能实现可扩展和访问的平台，并进行分子结构量化精准设计；
二是生物体设计创新工具，能促进生物合成新路径、基因簇发现、化学结构预测等的正向工程；
三是可扩展、自动化、高通量的遗传设计构建，能实现大批量的工程制造需求；
四是先进的设计评价反馈工具，能推进工程系统的大规模并行测试和分析，并对结果进行评价验证，进而修正反馈。
三、取得的主要进展
1、开发了新的生物合成计算机软件系统，该软件系统将生物合成设计时间从以往的1个月缩短至1天，并能实现端到端的监控；
2、构建了大规模基因网络，以该网络为基础初步验证生物制造的正向工程能力；
3、建立了大规模DNA组装新方法，将体外准确装配的DNA片段数从此前最高10个提高到20个的水平，错误率降低到原来的1/4；
4、实现了将多种新生物制品的设计、工程和生产提速7.5倍；
5、实现了对乙酰氨基酚合成途径的设计和制备。
四、技术面临的挑战
1、已知分子结构的快速改进。针对自然界中已知生物分子、合成生物学实现的分子以及目前经提取、纯化得到的天然产物，技术面临的挑战是工程化技术平台应表现出生物合成路径与生产方法在产量、成本、纯度等方面取得巨大的改进。
2、无法合成的已知分子结构。目前，某些分子无法通过常规技术手段进行生物合成，但可以构建理论上的生物合成路径，包括构建来自多种独特生物体的合成路径，而美军特别感兴趣的某些分子是很难合成或者不可能合成，或者采用化学合成成本非常昂贵，因此技术面临的挑战是低成本、高产量实现这些分子原型；
3、创新的新分子结构设计。利用生物工程技术能够合成现有的化学和生物化学方法尚无法合成的新分子，例如，能够利用周期表新元素产生新化学物质的酶，以及能高效整合非天然氨基酸的分子。
五、军事应用前景
生物是已知最有力的制造平台之一。生命铸造厂与传统制造技术不同，是将生物作为超常材质、结构、形体、系统的源泉来制造新材料、新器件、新系统。生命铸造厂所动用的物质复杂度远超过常规物理、化学制造方式，所制造出的新产品将具备超越单纯生命与非生命物质能力极限的性能。通过生命铸造厂计划的实施，将解决新材料的生产难题（例如含氟聚合物、润滑剂、对抗恶劣环境的特殊涂层），获得新的功能（如自我修复和自我再生系统），形成基于生物体的超大规模集成生产系统（如半导体器件的生物制造），最终为美军提供改变游戏规则的制造模式，使美军获得分布式、适应性、按需生产关键高价值材料、装备的能力。
生命铸造厂计划启动实施以来，虽已取得多项重要进展，可行性已得到初步验证，但其工程化应用仍存在诸多难点，总体上仍处于前沿探索阶段，一旦取得突破，可显著提升现有制造能力，因此，美军期望生命铸造厂计划将为其获得超常材料制造能力。
一网打尽系列文章，请回复以下关键词查看： |
创新发展：习近平 | 创新中国 | 创新创业 | 科技体制改革 | 科技创新政策 | 协同创新 | 成果转化 | 新科技革命 | 基础研究 | 产学研 | 供给侧 |
热点专题：军民融合 | 民参军 | 工业4.0 | 商业航天 | 智库 | 国家重点研发计划 | 基金 | 装备采办 | 博士 | 摩尔定律 | 诺贝尔奖 | 国家实验室 | 国防工业 | 十三五 |
预见未来：预见2016 | 预见2020 | 预见2025 | 预见2030 | 预见2035 | 预见2045 | 预见2050 | |
前沿科技：颠覆性技术 | 生物 | 仿生 | 脑科学 | 精准医学 | 基因 | 基因编辑 | 虚拟现实 | 增强现实 | 纳米 | 人工智能 | 机器人 | 3D打印 | 4D打印 | 太赫兹 | 云计算 | 物联网 | 互联网+ | 大数据 | 石墨烯 | 能源 | 电池 | 量子 | 超材料 | 超级计算机 | 卫星 | 北斗 | 智能制造 | 不依赖GPS导航 | 通信 | MIT技术评论 | 航空发动机 | 可穿戴 | 氮化镓 | 隐身 | 半导体 | 脑机接口 |
先进武器：中国武器 | 无人机 | 轰炸机 | 预警机 | 运输机 | 战斗机 | 六代机 | 网络武器 | 激光武器 | 电磁炮 | 高超声速武器 | 反无人机 | 防空反导 | 潜航器 | |
未来战争：未来战争 | 抵消战略 | 水下战 | 网络空间战 | 分布式杀伤 | 无人机蜂群 |
领先国家：俄罗斯 | 英国 | 日本 | 以色列 | 印度 |
前沿机构：战略能力办公室 | DARPA | Gartner | 硅谷 | 谷歌 | 华为 | 俄先期研究基金会 | 军工百强 |
前沿人物：钱学森 | 马斯克 | 凯文凯利 | 任正非 | 马云 |
专家专栏：黄志澄 | 许得君 | 施一公 | 王喜文 | 贺飞 | 李萍 | 刘锋 | 王煜全 | 易本胜 | 李德毅 | 游光荣 | 刘亚威 | 赵文银 | 廖孟豪 |
全文收录：2016文章全收录 | 2015文章全收录 | 2014文章全收录 |
其他主题系列陆续整理中，敬请期待…… |