再创丨这份美国最新出炉的工程生物学发展路线图极具参考价值

“这份美国最新出炉的工程生物学发展路线图极具参考价值”

作者：孟凡康

再创丨Regenesis主编  中国科学院大学

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1  这份路线图是什么？

工程生物学研究联盟（EBRC）是一个非营利性的公私合作伙伴组织，致力于推进工程生物学的包容性社区聚集在一起，以满足国家和全球的需求。EBRC专注于研究路线图，教育，安全，政策和国际参与等方面，其主要的工作是展示工程生物学领域的尖端研究、探索研究和应用方面的紧迫挑战和机遇以及发表研究路线图和解决这些问题的计划等。

工程生物学研究联盟（EBRC）

EBRC路线图是对工程生物学现状和潜力的重要评估。它旨在为研究人员和其他利益相关者（包括政府资助者）分析工程生物学领域在近期和长期面临的一系列技术挑战和机遇。这份路线图的制定主要是为了响应2015年美国National Academies报告“生物工业化”中提出的建议，并响应美国国家科学基金会和其他美国政府利益相关者（包括国家科学技术委员会）的要求。

EBRC委员会通过与更广泛的EBRC社区合作，对路线图范围和内容进行了制定。这份路线图来自于80多位顶尖科学家和工程师的贡献，包括EBRC的学术、行业和学生成员以及更广泛的研究团体。自2018年中期以来，EBRC已举办了六次研讨会和无数的电话会议，用以制定内容并围绕路线图进行讨论。这份路线图在一定程度上代表了美国工程生物学研究界对该领域未来的愿景，于2019年6月19日正式公开。

路线图的制定委员会主要组成成员

2  这份路线图的主要内容是什么？

该路线图的整体框架考虑了在工程生物学在工具和技术研究、开发和应用中已有的或设想中的挑战、瓶颈和其他限制。该路线图的四个「技术主题」构成了工程生物学研究和技术的基础，并阐述了我们目前能力所处的位置以及我们在未来20年可能取得的成就。另外，五个「应用及影响」部分进一步展示了技术进步在实际应用领域的广度和影响，并举例说明了工程生物学工具和产品如何面向和解决社会所面临的复杂问题。「技术主题」代表了一种“自下而上”的方法，侧重于工具和技术创新，以推动该领域向前发展，而五个「应用及影响」是“自上而下”着重工程生物学如何助力解决和克服国家和全球挑战。

路线图的的主题内容

3  「技术主题」（Technical Themes）的主要内容是什么？

该路线图的「技术主题」集中在工程生物学研究和开发的四个关键领域。每个技术主题都介绍了一系列变革性工具和技术，同时对每个主题的未来发展列出相应的理想目标。并对这些理想目标在2年，5年，10年和20年发展时间里的里程碑以及可能的突破技术进行了描述。2年和5年里程碑表示目前或最近实施的资助计划以及现有基础设施和设施资源可以达到的目标。10年和20年里程碑展示的是领域内更加雄心勃勃的目标，可能需要（从而导致）重大技术进步和/或增加资金和资源以及新的和改进的基础设施。

这四个技术主题分别是：

工程DNA

基因编辑、合成和组装专注于工具的开发和升级，以实现染色体DNA的合成和整个基因组的工程化改造。

生物分子工程

生物分子，代谢通路和基因线路工程专注于功能性大分子的工程设计，复杂基因线路和代谢通路的设计以及系统动力学的调控。

宿主工程

宿主工程专注于无细胞系统、宿主细胞和生物体工程，以及这些系统与环境的整合和相互作用。

数据科学

数据集成、建模和自动化侧重于鲁棒地和系统性地使用设计-构建-测试-学习方法来创建复杂系统。

对于基因编辑、合成和组装来说，未来将具有快速、从头合成整个基因组的潜力，这反映在制造10,000低聚物长度的高保真寡核苷酸、设计和组装兆碱基克隆DNA片段以及高度精确的基因编辑，没有脱靶效应等目标上。

生物分子，代谢通路和基因线路工程专注于将各个生物分子活化和组装到网络中以实现细胞更强大的功能，以及我们如何从天然和非天然模块中设计、创建和进化这些大分子，实现集成、受控基因线路和代谢通路的最终目标。这一部分的未来设想是能够实现大分子结构与功能的常规设计和预测、非天然氨基酸和其他构件的生物合成以及决定细胞状态的转录因子的受控表达。

在单个细胞，整个生物体和生物群落的中融合和转变为更大和更复杂的功能的情形在第三部分宿主工程中进行了描述。这一部分详细地介绍了实现定制化的无细胞系统和人造细胞、按需生产和控制具有高度定义功能的单细胞和多细胞生物以及多基因组系统和生物群系工程所需的技术与工具进步。虽然，经典的工程生物学将重点放在微生物此类生产工具上，但在路线图中此愿景得到了进一步的拓展，其将细胞作为产品本身，并为植物，动物和多生物系统的复杂工程提供一定的前景预期。

支持设计基因组、非天然生物分子基因线路以及定制细胞和生物的工程和生产的基石是高级数据分析、设计和数据建模的集成。数据集成、建模和自动化强调了集成生物数据模型的变革潜力、生物分子/宿主/生物群落的设计框架以及自动化设计-构建-测试-学习过程的前景。这四个技术领域共同为我们能够将工程生物学快速发展并扩展到工业和应用领域奠定了基础。

4  「应用及影响」（Applications & Impact Sectors）的主要内容是什么？

该路线图展示了工程生物学的许多潜在应用，并通过关注五个部分展示了这些工具和技术在解决和克服社会挑战方面的可能用途和影响：1）工业生物技术；2）健康与医学；3）食品与农业；4）环境生物技术；5）能源。

5个「应用及影响」部分

路线图中指出，工程生物学的这些巨大潜力需要通过解决普遍存在的社会挑战，包括促成和建立更清洁的环境、支持不断增长的人口的健康和福祉以及加速工业的创新和经济可行性来实现。在这一部分，路线图主要从五个部分来阐述这些可能性。每个部分的阐述的内容都和四个技术主题息息相关。

其中工业生物技术研究聚焦于可持续制造、新产品研发以及基于生物产品和材料的整合工作和生产流程。

健康与医学部分不仅关注了开发和推进抗击疾病的工具，还着重关注了通过基于生物的整合生活方式改善健康、通过工程细胞系统为残疾人提供新的选择，并解决环境对健康的威胁。

生产更多更健康，营养更丰富的食物是粮食和农业部分的重点，包括促进利用自来非典型和未充分利用的资源进行食物和营养物质的生产，如微生物，昆虫，替代植物物种和“清洁肉类”。

环境生物技术部分聚焦在促进生物修复、资源回收、工程生物的部署以及基于生物的基础设施的建设等方面，其目的为更清洁的土地，水域和空气做出贡献。

最后，能源专注于生产能量密集和碳中性的生物燃料，以及能够减少能源使用及消耗的工具和产品。

总之，这份路线图展示了工程生物学工具和技术在创造更美好世界方面的潜在广度和实用性，对中国以及全世界合成生物学未来发展的方向和选择具有很大的借鉴意义。

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