数字生物发展态势（二）—数字合成生物学

一、数字合成生物学（Digital Synthetic Biology）发展态势

合成生物学（Synthetic Biology）是进入 21 世纪以来刚刚发展起来的一门新兴交叉学科，它是在对生命规律认识的基础上，利用工程化的思想，通过人工方式设计、制造或改造 DNA 等生物分子，从而来改造和优化生物系统，甚至合理引入自然界不存在的人造法则，构建全新的人造生命系统。根据智慧芽旗下智慧芽创新研究中心发布“以不息为体，以创新为道——2022 年度全球十大技术关键词”，合成生物入选其中。

1、随着数字化技术的成熟与在合成生物学领域的逐渐应用，合成生物学逐渐向数字合成生物学迈进

2023年 7 月，中国工程院杨胜利院士指出，数字合成将生命科学推向预测科学。其指出，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。数字技术将推动和提升合成生物学的研究、转化和产业化。关于未来的产业布局，杨胜利院士建议上海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。
数字合成技术发展迅速，在近年来取得了一系列进展，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。
2023年澳大利亚皮质实验室Brett J Kagan 等表示，通过合成生物学方法开发的神经培养与数字计算相结合，促进了合成生物智能（SBI）的早期发展，研究人员重点研究强调了生物神经系统在某些信息处理任务中的优势。
2022 年中国科学院天津工业生物技术研究所 Qianqian Yuan 等介绍了中国科学院天津工业生物技术研究所成立近十年来数字细胞模型的研究进展，该团队认为数字细胞技术与基因组测序、基因组合成和基因组编辑一起，将极大提高人们阅读、书写、修改和创造生命的能力。
2023 年中国科学院深圳先进技术研究院 Abdur Rasool 等介绍了 DNA 数据存储技术，该技术利用计算机模拟和合成生物学，提供高密度且可靠的数字信息存储，为提高可靠性，该团队提出了一种 DNA 数据存储生物学优化编码模型（BO-DNA）。
2022 年 9 月西班牙计算生物学实验室 Miguel A Fortuna 等介绍了数字生物体的表型可塑性进化进展，作者认为由于环境可以修改从数字生物体的基因组（即其转录组）执行的指令序列，这导致其表型（即数字生物体执行布尔逻辑运算的能力）的变化，这种基于遗传的可塑性途径是以生物体的生存能力和世代时间为代价的：转录组越长（适应度成本越高），环境修改遗传执行流程控制的机会就越大，并且发生变化的可能性就越高。

2、数字合成生物学虽然取得了重要进展，但同时，研究人员也认为其背后的技术还存在尚未得到详细探讨的潜在伦理机遇或挑战

2022 年美国桑迪亚国家实验室Corey M Hudson 等针对合成生物学的自动化以及生物学和医学的个性化趋势提出了各种各样的关键安全问题，该实验室针对合成生物学的安全问题召开了研讨会，将研究安全算法、漏洞评估和新兴威胁模型的研究人员聚集在一起，目的是确定更安全的下一代生物学研究领域。

二、数字生物技术产业化前景

1、政策层面：数字生物为各国政府强力支持的重点产业，政策支持体系逐步完善

英国政府在2022 年《英国数字战略》（UKDigital Strategy）中提出，要继续利用数字和数据驱动的创新来改进治疗、护理模式以及健康和护理系统的运作方式。

美国白宫 2022 年《国家药物管制政策战略报告》中提到，要推动数字疗法成为帮助治疗药物滥用的潜在工具，并鼓励各机构向国会寻求授权以支付报销费用，考虑在医疗保健计划中向用数字疗法为患者提供服务的企业报销应急管理费用。

韩国科学技术信息通信部 2022 年 9 月发布的《大韩民国数字战略》中，制定了 5 大战略方向，19 个具体任务，5 大战略方向具体为：打造世界最高水平的数字能力、加大发展数字经济、建立数字包容社会、共建数字平台政府、创新数字文化，其中加大发展数字经济战略方向包括提升数字化促进服务业竞争力，其中服务业包括数字文化产业、数字生物产业、数字物流产业等。

我国高度重视生物医药行业数字化转型发展，从生物医药产业生产制造自动化、智能化发展、产品全生命周期数字化管理、监管和产业数字化升级等方面颁布相关数字化转型政策，推动生物医药产业健康、规范发展。“十四五”规划、《“十四五”公共服务规划》、《“十四五”数字经济发展规划》、“十四五”中医药信息化发展规划》、《“十四五”卫生健康标准化工作》等文件中对数字生物产业进行了部署。

2、市场层面

我国 2020 年医药、医疗器械与设备市场规模分别为 14480 亿元、7341 亿元，预计 2021 年将分别达到 17292 亿元、8369 亿元。在巨大的市场规模和我国强力推进的背景下，数字生物技术产业化前景非常可观。

参考文献：

[1] Miguel A. Fortuna. The phenotypic plasticity of an evolving digital organism[J]. R Soc Open Sci . 2022-09-14, doi: 10.1098/rsos.220852

[2] Zhigang Li, et al. Toward Reagent-Free Discrimination of Alzheimer's Disease Using Blood Plasma Spectral Digital Biomarkers and Machine Learning[J]. J Alzheimers Dis. 2023-08-28, doi: 10.3233/JAD-230248