2024年合成生物学专题信息合辑

生命健康科技智库上海市生物工程学会 合成生物学Synthetic Biology2024年专题信息合辑2024年12月刘晓张学博朱成姝熊燕 学术顾问赵国屏组长王勇情报团队秘书何杨 编者按21世纪初，工程学思想策略与现代生物学、系统科学及合成科学的融合，形成了以采用标准化表征的生物学部件，在理性设计指导下，重组乃至从头合成新的、具有特定功能的人造生命为目标的“合成生物学”。合成生物学的崛起，开启了可定量、可计算、可预测及工程化的“会聚”研究新时代。为服务国家重大战略和科研机构的前沿和交叉研究，中国科学院上海生命科学信息中心于2010年底专门组建合成生物学战略情报团队，旨在通过信息跟踪、监测和分析，开展长期、专业化的信息情报研究，并形成系列情报产品，面向合成生物学领域的科研人员提供知识服务。近10年来，合成生物学情报团队持续跟踪Nature、Science、Cell等专业期刊、智库报告、政府网站、企业网站、新闻报道等，整理全球最新的前沿研究进展、企业研发动向、产业投融资等信息，编辑发送了153期《合成生物学信息参考》，为国内500多位科研和管理人员提供合成生物学领域及时、全面的动态信息，并通过上海市工程学会的公众号推送。2019年起，合成生物学情报团队重点聚焦并系统梳理合成生物学及交叉领域的科技政策与规划、技术与应用、产业动态和安全监管等，以期为合成生物学领域的战略专家、科研人员和管理人员提供多角度的专题信息，为建立合成生物学领域的综合信息平台奠定基础。为进一步发挥相关信息情报的决策参考作用，情报团队已经连续六年推出《合成生物学专题信息合辑》，得到领域专家和管理人员的积极反馈。《2024年合成生物学专题信息合辑》主要分为“战略与规划”、“技术与应用”、“产业与投资”、“安全与监管”等四个部分。文中如遗漏和错讹之处，敬请读者提出批评建议。上海市生物工程学会 目 录战略与规划............................................................................... 1英国科学、创新和技术部：工程生物学的国家愿景..................................................... 3澳大利亚联邦科学与工业研究组织：合成生物学国家进展报告................................... 22欧盟委员会：与自然共筑未来：推动欧盟生物技术和生物制造的发展......................... 30技术与应用............................................................................. 41美国理特管理咨询公司：合成生物学的新世界.......................................................... 42产业与投资............................................................................. 67波士顿咨询集团：合成生物学如何改变材料行业....................................................... 68波士顿咨询集团与Synonym.Bio：打破生物制造的成本壁垒.................................... 74StartUs.Insights：探索2024年合成生物学的10大趋势........................................... 86世界经济论坛：构建充满活力的食品创新生态系统................................................... 94安全与监管........................................................................... 103美国工程生物学研究联盟：工程生物学与人工智能交叉融合的安保考虑.................... 104美国工程生物学研究联盟：全球生物经济的工程生物学指标和技术标准..................... 111人工智能在合成生物学应用中的生物安全风险评估..................................................128 上海市生物工程学会 英国科学、创新和技术部工程生物学的国家愿景1概述1.1 科学技术框架2023年3月，英国政府发布的《科学与技术框架》（Science.and.Technology.Framework）提出了到2030年使英国成为科技超级大国的10个关键领域，具体包括：识别关键技术、表明英国的实力和雄心、研发投资、天赋和技能、为创新型科技公司融资、采购、国际机会、访问物理和数字基础设施、制定法规和标准、创建新型公共部门。在该框架下，英国政府确定了5项关键技术，这些技术不仅有望为英国带来繁荣和安全，还将为全球社会带来利益。○.人工智能（AI）：执行通常由人类智能所执行任务的机器，尤其是当机器从数据中学习如何执行这些任务时。○.工程生物学：将严格的工程原理应用于生物系统的设计。○.未来电信：数字化数据和通信基础设施的演变。○.半导体：一类具有独特性能的电子材料，构成人们日常使用设备和技术的核心。○.量子技术：依赖量子力学的设备和系统，提供“经典”机器无法提供的功能。2023年12月，英国科学、创新和技术部（Department.for.Science,.Innovation.&.Technology，DSIT）发布政策文件《工程生物学的国家愿景》（National.vision.for.engineering.biology）。该文件规划了未来10年的投资、政策和监管改革，总计投入20亿英镑支持工程生物学这一关键技术，包括投资于世界级的研发，促进创新、扩大的基础设施，实施有助于工程生物衍生产品进入市场的监管措施，并将成立新的工程生物学指导小组。该项愿景旨在推动新的疗法、作物品种、环保燃料和化学品，以巩固英国作为科技超级大国的地位。编者按：上海市生物工程学会 3英国政府承诺利用该框架中规定的杠杆来支持这些技术使其蓬勃发展。因此，需要了解如何应用这些杠杆来应对每项技术面临的独特挑战。这份文件阐述了政府对工程生物学面临挑战的理解，以及通过框架实现目标中提及的优先事项。1.2 对工程生物学的理解工程生物学的基础源于对生命更深刻的理解。人们以非凡的速度发展出“读取”和“写入”DNA的能力，同时也越来越容易预测和控制其在生物体内的功能。在应用方面，工程生物学正在推动整 个 生 物 经 济 的 进 步 ， 改 变 现 有 的 领 域 和 供 应链，例如替换石化原料，创造全新的领域，如个性化的生物治疗和碳捕获。工程生物学还可以解决可持续性和全球健康挑战，并有助于确保英国的安全和供应链韧性。英国政府将工程生物学定义为生物衍生产品和服务的设计、规模化和商业化过程，这些产品和服务 可 以 更 可 持 续 的 方 式 改 变 行 业 或 生 产 现 有 产品，还能利用合成生物学工具，推动生物经济的下一波创新。 疫苗和疗法，并通过Cancer.Mission项目投资精准医学的早期诊断和靶向免疫疗法。此外，通过卓越中心为政府提供了与行业、学术界、监管机构和医疗保健部门合作的关键平台，例如CPI药品制造创新中心（MMIC），加快创新的发展和应用。在国际层面，英国政府正在资助药物发现、基因组监测和疫苗开发等生命科学项目，这些项目由外交、英联邦和发展办公室与维康信托基金会（FCDO-Wellcome）共同推动，通过流行病防范和应对研究联合倡议（JIREP）来实现。（2）农业与食品2023年，英国环境、食品和乡村事务部（Defra）颁布的《基因技术（精准育种）法案》为利用工程生物学应对害虫、疾病和环境挑战提供了契机，使培育更具抵抗力的养殖动植物成为可能。这将有助于增强食物供应的弹性，改善自然环境的健康。此外，新的兽医疫苗和诊断方法也在开发中，这些疫苗和诊断方法将提供针对高优先级动物病原体（如禽流感）的工具。目前，工程生物学工具正被用于开发和制造替代蛋白质，包括细胞培养蛋白质（也称“培养肉”）。英国食品标准局（FSA）最近完成了对其新型食品监管框架的评估，并正在考虑如何改革立法、框架和流程，以消除创新障碍，包括细胞培养蛋白，同时保持英国良好的监管完整性。在国际层面，英国共同资助了国际农业研究咨询小组（CGIAR）计划，该计划利用基因组编辑技术加速作物改良。（3）化学品和材料工程生物学不仅能更可持续地生产现有的化学品和材料，还能够创造出难以通过化学方法合成的的 全 新 的 化 学 品 。 英 国 能 源 安 全 和 净 零 排 放 部（DESNZ）、商业贸易部（DBT）以及Defra正在考虑如何利用可持续生物质来减少化工行业的碳排放。这包括如何以更经济的方式利用废物流，创造循环碳生物经济。国防部（MoD）也在探索工上海市生物工程学会 1.3 工程生物学支持政府目标工程生物学有广泛的应用前景，政府看到了英国在健康、农业和食品、化学品和材料以及低碳燃料方面的重大经济机遇（图1）。未来20年内，工程生物学每年有望在全球范围内产生2-4万亿美元的经济影响，仅健康领域每年就可实现1.2万亿美元的经济价值，农业、食品、化学品和能源领域的应用，每年可能对全球经济产生1.5万亿美元的影响。更重要的是，工程生物学还有助于提升国家安全、复原力和应对未来挑战的能力。所有这些应用都基于工程生物学的基础技术，这些 技 术 趋 势 的 融 合 推 动 了 工 程 生 物 学 领 域 的 发展。首先，DNA测序的成本迅速下降，序列可获得性增加，使得组装大型生物信息学数据集成为可能。英国公司Oxford.Nanopore开创了具有卓越序列准确性和长度的手持式核苷酸测序设备。其次，通过计算能力、人工智能和机器学习等技术，研究人员得以在这些数据集上实现DNA序列、蛋白质折叠以及蛋白质功能之间关系的预测，例如，英国DeepMind公司开发的Alpha-Fold等工具。第三，能够经济高效地编写自定义DNA序列，Evonetix和Touchlight等英国公司在DNA合成的长度和体积方面取得重大进展。最后，CRISPR-Cas9等基因编辑技术的进展将持续推动创新。英国的研究人员作为这些技术的早期使用者，已经在植物和哺乳动物细胞等领域取得显著成果。（1）健康在健康领域，工程生物学一直是推动创新的核心，尤其是在过去25年中，它有可能通过更精确、个性化的治疗（如CAR-T癌症治疗），以及人工器官和智能药物等前沿发展来改善患者预后的潜力。英国政府通过卫生和社会保健部（Department.of.Health.and.Social.Care）与DSIT紧密合作，正在与Moderna和BioNTech公司共同开发mRNA 程生物学衍生材料的潜力，以克服现有设备的物理限制和供应链短缺等问题。（4）低碳燃料工程生物学可以能够研发新的低碳燃料，适用于航空和汽车行业。交通部已投资2500万英镑，支持LanzaTech.UK位于塔尔博特港的新工厂建设。该工厂将利用钢厂废气转化为乙醇，然后通过酒精喷气技术生产可持续航空燃料。国防部还投资了总部位于曼彻斯特的C3.Biotech公司，该公司开发的航空燃料已被英国皇家空军用于无人机。1.4 英国在工程生物学领域具有显著优势英国在工程生物学领域处于领先地位，这主要得益于政府在过去十年的前瞻性投资，以及英国生物制药行业的强大基础。目前，英国不仅继续对工程生物学研发的重大公共投资，近期又宣布为工程生物学任务和中心追加拨款7360万英镑。英 国 在 工 程 生 物 学 基 础 研 究 方 面 表 现 出 色 （ 表1）。