潘鋒

2017年11月2日，中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院等單位在北京舉辦“研究前沿：合成生物學(xué)專題論壇”，論壇邀請中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院趙國屏研究員做了題為《合成生物學(xué)——工程化的科學(xué)研究，“會(huì)聚”的創(chuàng)新范式》的主題報(bào)告。趙國屏研究員在接受記者采訪時(shí)表示，合成生物學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，其顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新和工程化研究的概念，不僅讓人類“可以像組裝機(jī)器一樣裝配新型生命系統(tǒng)”的理想變?yōu)榭赡芎同F(xiàn)實(shí)，更因生命科學(xué)研究進(jìn)入“大數(shù)據(jù)”時(shí)代數(shù)據(jù)密集型范式的機(jī)遇，形成了“會(huì)聚研究”的革命態(tài)勢，為人類追求自身、環(huán)境乃至社會(huì)健康發(fā)展拓展了能力提升的廣闊空間。

生命科學(xué)的三次革命

趙國屏研究員說，從宇宙的角度看，生物和生命活動(dòng)所涉及的空間和時(shí)間尺度都是那么的“微不足道”；然而從人類的角度看，自然界與自身息息相關(guān)的那部分都是“有生命”的，這就是生物學(xué)最基本的研究對象。從生物學(xué)領(lǐng)域向微觀延伸，便是化學(xué)所要研究的分子、原子以及物理學(xué)所要研究的基本粒子；向宏觀延伸，則涵蓋了天文學(xué)和地學(xué)兩大學(xué)科。與各門學(xué)科一樣，生物學(xué)起步于觀測和描述。由于生命現(xiàn)象自身的復(fù)雜性，20世紀(jì)之前雖然人們在對細(xì)胞的形態(tài)觀察、對遺傳的規(guī)律認(rèn)識、對生物進(jìn)化的概念理解上有所突破，但生物學(xué)整體上未能實(shí)現(xiàn)向研究其普遍的構(gòu)成本質(zhì)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的“生命科學(xué)”的飛躍。20世紀(jì)以來，微觀層面的生物化學(xué)、細(xì)胞遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)，以及宏觀層面的生態(tài)學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)等相繼得到發(fā)展，推動(dòng)了生物學(xué)從以分類描述為特征的傳統(tǒng)科學(xué)，向以機(jī)制研究為核心的現(xiàn)代生命科學(xué)的轉(zhuǎn)變。以此為基礎(chǔ)，20世紀(jì)中葉以來，生命科學(xué)研究在技術(shù)、認(rèn)知和能力方面爆發(fā)了三次革命。

趙國屏研究員介紹，生命科學(xué)的第一次革命是分子生物學(xué)。1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的解析，不僅在分子水平上明確了遺傳物質(zhì)，而且迅速確定了DNA自我復(fù)制傳承遺傳信息，和“從DNA到mRNA到蛋白質(zhì)”的這一遺傳“中心法則”。同時(shí)，一系列可用于精準(zhǔn)操控核酸的酶與載體的發(fā)現(xiàn)及其相關(guān)轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用，最終促成了以遺傳的中心法則以及DNA重組技術(shù)為標(biāo)志的分子生物學(xué)革命，由此極大地推動(dòng)了人類對生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識。20世紀(jì)70年代起，結(jié)合對基因表達(dá)調(diào)控的認(rèn)識，實(shí)現(xiàn)了在一定程度上對生命過程的模擬或改造，形成了以分子生物學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代生物工程。

生命科學(xué)的第二次革命是基因組學(xué)。鑒于肯尼迪“向腫瘤宣戰(zhàn)”計(jì)劃的失敗，Renato Dulbecco于1986年發(fā)表具有歷史意義的《腫瘤研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)：人類基因組測序》一文，提出“如果我們想更多地了解腫瘤，從現(xiàn)在起必須關(guān)注細(xì)胞的基因組”的科學(xué)假說，以及“從對人類細(xì)胞基因組測序入手”的研究策略，由此啟動(dòng)的人類基因組計(jì)劃及其成功實(shí)施，標(biāo)志著生命科學(xué)第二次革命的到來。這次革命的直接成果是對生命本質(zhì)的認(rèn)識從單個(gè)基因或單個(gè)分子功能層面，上升到了對整個(gè)生命體或生命過程整體認(rèn)知的基因組層面；而對生命科學(xué)的研究體系而言，則是引入了除“實(shí)驗(yàn)-分析”之外的“數(shù)據(jù)”，以及與獲取數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和利用數(shù)據(jù)相關(guān)的一系列“生物信息技術(shù)”，并由此形成生物信息學(xué)、計(jì)算生物學(xué)乃至理論生物學(xué)等新興學(xué)科。特別值得一提的是，20世紀(jì)90年代形成了綜合（干）與實(shí)驗(yàn)（濕）兩類數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)科學(xué)“自上而下”分析理念指引下研究生物體和生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律的系統(tǒng)生物學(xué)。

生命科學(xué)的第三次革命是會(huì)聚研究。世紀(jì)之交，利用基因元件，在工程學(xué)“自下而上”理念指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)并構(gòu)建基因線路（生物開關(guān)、振蕩子以及自動(dòng)調(diào)節(jié)的負(fù)反饋線路）獲得成功，標(biāo)志著工程科學(xué)與生命科學(xué)的融合，產(chǎn)生了合成生物學(xué)。2011年，美國麻省理工大學(xué)發(fā)布《第三次革命：生命科學(xué)、物理科學(xué)和工程學(xué)的會(huì)聚》；2014年，美國國家科學(xué)院發(fā)布《會(huì)聚：促進(jìn)生命科學(xué)、自然科學(xué)、工程等領(lǐng)域的跨學(xué)科整合》報(bào)告。與前兩次革命聚焦于技術(shù)與知識的顛覆性突破不同，“會(huì)聚”革命的核心，則是能力的提升，是人類自身智力、體力乃至整個(gè)社會(huì)能力的提升。以著名的NBIC來表述：如果認(rèn)知科學(xué)家（Cogno）能夠想到它，納米科學(xué)家（Nano）就能夠制造它，生物科學(xué)家（Bio）就能夠使用它，信息科學(xué)家（Info）就能夠監(jiān)視和控制它。

趙國屏研究員簡要回顧了中國科學(xué)家在生命科學(xué)發(fā)展史的三次革命中曾經(jīng)作出的貢獻(xiàn)。1956年舉行的青島遺傳學(xué)會(huì)議為中國科學(xué)家日后迎接分子生物學(xué)革命奠定了基礎(chǔ)。1958～1965年，中國科學(xué)院上海生化所和有機(jī)所以及北京大學(xué)的生物化學(xué)家與有機(jī)化學(xué)家，共同完成牛胰島素全人工合成。這不僅是中國科學(xué)家在合成科學(xué)領(lǐng)域完成的一件領(lǐng)先全球的成果，對分子生物學(xué)革命的直接貢獻(xiàn)，也體現(xiàn)了中國生命科學(xué)家有組織大科學(xué)計(jì)劃的決心和能力。改革開放之后，我國于1992年啟動(dòng)水稻基因組工作。1993年，在談家楨和吳旻先生支持下，國家自然科學(xué)基金委啟動(dòng)“中華民族基因組中若干位點(diǎn)基因結(jié)構(gòu)與功能的研究”，該項(xiàng)目由強(qiáng)伯勤先生和和陳竺先生主持，標(biāo)志著中國人類基因組研究的起步。中國人類基因組計(jì)劃的啟動(dòng)不僅有力支撐了中國科學(xué)家及時(shí)參與了由發(fā)達(dá)國家啟動(dòng)的大科學(xué)計(jì)劃，同時(shí)還保證了中國在生命科學(xué)的第二次革命中從“跟跑”步入了“并跑”的地位。

合成生物學(xué)帶來全新思維和方法

趙國屏研究員說，對合成生物學(xué)內(nèi)涵的理解至今依然是“見仁見智”，但是其核心應(yīng)該是工程化的生命科學(xué)研究，即以創(chuàng)建新生命體系目標(biāo)為導(dǎo)向的、“自下而上”的在工程學(xué)研究理念指導(dǎo)下的生命科學(xué)與生物技術(shù)研究；以及生命科學(xué)研究的工程化，即在生命科學(xué)研究中實(shí)施基于系統(tǒng)科學(xué)的計(jì)算與設(shè)計(jì)，基于合成科學(xué)的基因組與生物分子操作，基于計(jì)量科學(xué)的對生命元件到體系的檢測與測試三位一體循環(huán)，提升優(yōu)化的研究模式。

合成生物學(xué)以構(gòu)建“工程化的生命”為目的，為生命科學(xué)研究帶來了全新的思維、戰(zhàn)略和方法，是相對于傳統(tǒng)的“格物致知”方法學(xué)的一場革命。生命起源、生物進(jìn)化（演化）、生物體復(fù)雜的結(jié)構(gòu)-功能等生命科學(xué)前沿問題，有望在“建物致知”理念的引導(dǎo)下取得突破。合成生物學(xué)在“生命的工程化”理念指導(dǎo)下，正在顛覆傳統(tǒng)的生物工程和代謝工程。在標(biāo)準(zhǔn)化元件模塊的基礎(chǔ)上，人工設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)并在人工底盤上實(shí)現(xiàn)可重復(fù)、可定量、可調(diào)控的合成構(gòu)建。利用“建物致用”理念指引下發(fā)展起來的合成生物學(xué)技術(shù)，有望用于應(yīng)對人類社會(huì)面臨的各種挑戰(zhàn)，并在醫(yī)學(xué)、制藥、化工、能源、材料、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。endprint

趙國屏研究員說，合成生物學(xué)的發(fā)展，離不開使能技術(shù)創(chuàng)新及工程化“工具包”的優(yōu)化共享。這類顛覆性技術(shù)創(chuàng)新和工程平臺創(chuàng)新不僅包括對基因組操作及合成構(gòu)建的“編/寫”能力，還包括從生物元件的標(biāo)準(zhǔn)化到從頭創(chuàng)制非天然生物分子；當(dāng)然，更離不開基于系統(tǒng)生物學(xué)知識的從元件到通路，從模塊到網(wǎng)絡(luò)，從調(diào)控到底盤優(yōu)化的設(shè)計(jì)、合成及測試。可見，是工程學(xué)與生命科學(xué)的融合催生了合成生物學(xué)，而合成生物學(xué)的發(fā)展又促進(jìn)了物理學(xué)、化學(xué)、納米科學(xué)、信息科學(xué)等一系列學(xué)科與生命科學(xué)的融合乃至它們之間的相互融合。這種“融合”已超越了原先意義上“學(xué)科交叉”的范疇，而是科學(xué)、技術(shù)、工程乃至自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的“會(huì)聚”。

大數(shù)據(jù)時(shí)代的

生命科學(xué)“會(huì)聚研究”

趙國屏研究員說，“會(huì)聚研究”革命是科學(xué)史上源于學(xué)科交叉、高于學(xué)科交叉，真正以研究能力提升為導(dǎo)向的突破。這一革命得以出現(xiàn)的科學(xué)技術(shù)前提，除了以合成化學(xué)為代表的合成科學(xué)外，最主要的是在分子生物學(xué)和基因組學(xué)兩次革命基礎(chǔ)上建立起來的使能技術(shù)和檢測技術(shù)（包括大規(guī)模測序技術(shù)）的突破，以及系統(tǒng)生物學(xué)知識的極大豐富。從本質(zhì)上說，首先是基因組學(xué)革命成功地在生命科學(xué)的研究體系中引入了“數(shù)據(jù)”這一重要的組分，進(jìn)一步會(huì)聚物理、化學(xué)、信息、計(jì)量、計(jì)算等科學(xué)及相關(guān)工程技術(shù)的創(chuàng)新，生命科學(xué)數(shù)據(jù)便迅速地提升到了大數(shù)據(jù)層級，即EB級（如果結(jié)合醫(yī)學(xué)，則正在向ZB級發(fā)展）。這也意味著生命科學(xué)研究正在從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)范式，迅速跨越尚欠成熟的“理論科學(xué)”和“計(jì)算科學(xué)”階段，進(jìn)入到了“數(shù)據(jù)密集型科學(xué)”的“第四范式”。

趙國屏研究員說，在高技術(shù)轉(zhuǎn)化成工程化平臺服務(wù)和大數(shù)據(jù)的開源共享兩大推手的助力下，“會(huì)聚”所提升的人類研究能力可能形成生命科學(xué)研究民主化的趨勢，其雛形從現(xiàn)在已經(jīng)比較常見的“眾包”場景中已可窺見一斑?？梢灶A(yù)見的是，在不遠(yuǎn)的將來，越來越多的青年科學(xué)工作者雖然擁有的資源不多，但只要具有一定科學(xué)基礎(chǔ)的創(chuàng)新思想火花，都有可能在公益性的技術(shù)和信息共享的平臺上驗(yàn)證思路并進(jìn)一步開展研究和轉(zhuǎn)化成果。

同時(shí)，轉(zhuǎn)化型研究將成為生命科學(xué)研究一個(gè)最主要的平臺。轉(zhuǎn)化型研究不僅僅是傳統(tǒng)意義上的科研成果的產(chǎn)業(yè)化，還體現(xiàn)于醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)的緊密結(jié)合，因此也常被稱之為“轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)”，它強(qiáng)調(diào)的是以人為研究的直接對象，將臨床問題轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室課題，將實(shí)驗(yàn)室研究成果及時(shí)在臨床驗(yàn)證或應(yīng)用的實(shí)踐。轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)為在“組學(xué)”基礎(chǔ)上形成的系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究體系搭建起了與臨床結(jié)合的平臺，它將大批生命科學(xué)家的眼光從“象牙塔式”的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向臨床需求，同時(shí)也讓醫(yī)學(xué)“無縫”對接科學(xué)，培養(yǎng)出一批研究型醫(yī)生。利用轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)平臺可以有效提高生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的獲取、共享及挖掘分析能力，使研究人員有可能在臨床實(shí)踐中隨時(shí)隨地把轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的成果直接服務(wù)于患者，實(shí)現(xiàn)“精準(zhǔn)醫(yī)療”。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，人們已經(jīng)有可能更迅捷、更精準(zhǔn)地把生物醫(yī)學(xué)的數(shù)據(jù)提取成信息，把信息轉(zhuǎn)化為知識，再把知識轉(zhuǎn)化為醫(yī)生的智慧和健康醫(yī)療機(jī)構(gòu)的工程，開辟了以4P（個(gè)體化personalized、干預(yù)preemptive、預(yù)測predictive、參與participitory）為特征的轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)實(shí)踐。

夯實(shí)生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

趙國屏研究員認(rèn)為，生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)超越了傳統(tǒng)意義上大數(shù)據(jù)的四V特征（速度Velocity、體量Volume、種類Variety、真性Veracity），不僅速度更快、體量更大，其“狀態(tài)”的復(fù)雜性遠(yuǎn)超物理、天地乃至工程等各種非人文學(xué)科，從根本上說是由生物醫(yī)學(xué)研究對象在時(shí)空軸上定位的高度復(fù)雜性所決定的。

一方面，這種多層次的時(shí)空范疇，各有其特征性的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，尚不能用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型利用計(jì)算科學(xué)的方法加以確切的描述；另一方面，即便在同一時(shí)空層次上，由于生命活動(dòng)的特殊性，物質(zhì)與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律依然呈現(xiàn)多維轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性和交錯(cuò)混合的非結(jié)構(gòu)性。所幸的是，生命科學(xué)研究數(shù)據(jù)，無論是基礎(chǔ)科研的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還是組學(xué)和系統(tǒng)合成生物學(xué)的研究數(shù)據(jù)，一般都是在設(shè)計(jì)的試驗(yàn)下形成的，大多經(jīng)過重復(fù)驗(yàn)證或/和互相旁證，因而具有較好的結(jié)構(gòu)性且內(nèi)涵豐富，可以與多層次的數(shù)據(jù)在一定標(biāo)準(zhǔn)下交互使用；而以動(dòng)物實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的比較醫(yī)學(xué)和以隊(duì)列研究、流行病學(xué)研究、藥物臨床研究和循證醫(yī)學(xué)研究等為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究，也大多是經(jīng)過設(shè)計(jì)，有對照、有質(zhì)控的高質(zhì)量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)組成了生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的質(zhì)量“脊柱”。

生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的“真態(tài)”即保證數(shù)據(jù)的可信性也有其特殊性，特別是對于來自臨床和自然人群的數(shù)據(jù)，即所謂的“真實(shí)世界（real-world）”數(shù)據(jù)，不僅數(shù)量巨大，而且基本上是人自身的數(shù)據(jù)。雖然人是生物醫(yī)學(xué)研究很好的研究對象和最終的服務(wù)對象，但是來自人“自述”的數(shù)據(jù)往往帶有人文乃至社會(huì)學(xué)科的特征，因此，必須做好數(shù)據(jù)采集的規(guī)范化和數(shù)據(jù)本身的標(biāo)準(zhǔn)化，盡可能保證其真實(shí)性或采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，排除不真實(shí)有偏見的數(shù)據(jù)。由此可見，為了真正發(fā)揮生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的作用，必須克服現(xiàn)時(shí)數(shù)據(jù)無匯交機(jī)制，存儲(chǔ)碎片化；管理分散，無安全保障；無標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)控，難有效共享；資源無規(guī)模，難形成有效知識等局限。因此，有必要并且急需建立統(tǒng)一的、有規(guī)模、有權(quán)威的國家生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，集中精力做好安全、優(yōu)質(zhì)、高效整合與公平共享的服務(wù)工作。

趙國屏研究員介紹，經(jīng)過20多年的努力，與人類基因組研究并行，我國在生命科學(xué)和生物技術(shù)平臺建設(shè)方面已經(jīng)奠定了相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)，其中一個(gè)典型的成功范例就是上海張江高科技園區(qū)。該園區(qū)規(guī)劃于20世紀(jì)80年代，始建于1992年7月。25年來，堅(jiān)守發(fā)展信息技術(shù)（IT）和生物技術(shù)（BT）的“初心”，已建起了一批產(chǎn)生生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的、從人類基因組等生命“組學(xué)”到藥物研發(fā)及臨床轉(zhuǎn)化的研發(fā)機(jī)構(gòu)。今天的張江，已經(jīng)具備了建設(shè)生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的一切條件；而這一設(shè)施的建設(shè)，也必定是保證將張江建成國家自主創(chuàng)新示范區(qū)，支撐上海建設(shè)具有全球影響力的科技創(chuàng)新中心的決定性部署。

趙國屏研究員認(rèn)為，抓住大數(shù)據(jù)時(shí)代生命科學(xué)“會(huì)聚研究”第三次革命的機(jī)遇，及時(shí)建立國家生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施及相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)體系，扎扎實(shí)實(shí)承擔(dān)起符合大數(shù)據(jù)時(shí)代形勢的數(shù)據(jù)積累、數(shù)據(jù)提升的基礎(chǔ)性工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全、優(yōu)質(zhì)、高效整合與公平共享，是我國在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)嵤皬澋莱嚒睉?zhàn)略的一大機(jī)遇，機(jī)不可失，時(shí)不再來，必須團(tuán)結(jié)起來，積極行動(dòng)起來，以優(yōu)異的創(chuàng)新成果為人類健康科學(xué)事業(yè)做出新的貢獻(xiàn)。

專家簡介

趙國屏，中國科學(xué)院院士、中科院上海植物生理生態(tài)研究所研究員，分子微生物學(xué)家?，F(xiàn)任中科院上海生科院生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)中心首席科學(xué)家，中國科學(xué)院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專家委員會(huì)主任，國家人類基因組南方研究中心上海市疾病與健康基因組重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院微生物學(xué)和微生物工程系主任；兼任中國生物工程學(xué)會(huì)理事，上海生物工程學(xué)會(huì)理事長。曾任中國微生物學(xué)會(huì)理事長、名譽(yù)理事長。近年來積極開拓系統(tǒng)合成生物學(xué)研究領(lǐng)域，在微生物代謝調(diào)控研究方面做出了開創(chuàng)性工作；參與組建和/或領(lǐng)導(dǎo)了一系列生物技術(shù)企業(yè)、中科院研究院所、國家及上海研究中心和工程研究中心，不斷探索科技體系運(yùn)行模式、科研機(jī)構(gòu)體制機(jī)制、科研成果轉(zhuǎn)化和科技企業(yè)建設(shè)等方面的改革創(chuàng)新。endprint