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1  中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院 中國科學(xué)院上海營(yíng)養與健康研究所

2  中國科學(xué)院 發(fā)展規劃局

生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展的意義

生物技術(shù)與信息技術(shù)的融合發(fā)展，其源頭可追溯至物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr？dinger）于1944年發(fā)表的《生命是什么？活細胞的物理學(xué)觀(guān)》一書(shū)。

在書(shū)中，薛定諤提出“是什么讓生命系統似乎與已知的物理學(xué)定律相悖”的問(wèn)題，啟發(fā)了詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）等物理學(xué)家投身生命科學(xué)的研究，進(jìn)而發(fā)現DNA的雙螺旋結構，開(kāi)啟了現代生命科學(xué)的發(fā)展。同時(shí)，薛定諤提出在生命系統中“必須努力找到一種新的物理定律”，這也啟發(fā)了克勞德·香農（Claude Shannon）和諾伯特·維納（Norbert Wiener）對于新概念的探索，并進(jìn)而在“信息”的探索中分別提出了信息論和控制論。

以此為起點(diǎn)，20世紀下半葉，生物技術(shù)和信息技術(shù)分別沿著(zhù)各自的軌跡漸進(jìn)發(fā)展。1990年正式啟動(dòng)的“人類(lèi)基因組計劃”，使得人們從“三論”（系統論、控制論和信息論）的角度重新審視生命科學(xué)的發(fā)展規律。“人類(lèi)基因組計劃”最早的倡導者之一萊諾伊·胡德（Leroy Hood）提出了“系統生物學(xué)”研究的必要性，并進(jìn)而提出預見(jiàn)性（predictive）、預防性（preventive）、個(gè)性化（personalized）和參與性（participatory ）的“4P醫學(xué)”發(fā)展方向。

此外，美國麻省理工學(xué)院從控制論的角度審視了“系統生物學(xué)”在合成生物學(xué)中的應用。由此，生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展的序幕已經(jīng)徐徐拉開(kāi)。

總體上看，信息技術(shù)在生命科學(xué)研究和生物技術(shù)開(kāi)發(fā)方面的規模化應用，早于生物技術(shù)驅動(dòng)信息技術(shù)的發(fā)展。

早在20世紀80年代，生物信息學(xué)已經(jīng)成為生命科學(xué)研究的重要工具，發(fā)達國家順勢布局建立了美國國立生物技術(shù)信息中心（NCBI）數據庫、歐洲生物信息學(xué)研究所（EBI）數據庫和日本DNA數據庫（DDBJ）三大數據庫。

“人類(lèi)基因組計劃”的開(kāi)展，引發(fā)了基因組、轉錄組、表觀(guān)遺傳組、蛋白質(zhì)組、代謝組等生命科學(xué)組學(xué)數據的急劇增長(cháng)，推動(dòng)了信息技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域的大規模應用，驅動(dòng)生命科學(xué)研究進(jìn)入“數據密集型科學(xué)發(fā)現（Data-Intensive Scientific Discovery）”的第四范式時(shí)代。由此，生物技術(shù)實(shí)現了信息化、工程化、系統化的發(fā)展，為“設計—構建—驗證（Design-Build-Test）”循環(huán)模式的建立奠定了堅實(shí)的基礎，并朝著(zhù)可定量、可計算、可調控和可預測的方向躍升。

信息技術(shù)的引入，使得生命科學(xué)從“實(shí)驗驅動(dòng)”向“數據驅動(dòng)”轉型發(fā)展，而生物體內的信息處理過(guò)程也為信息技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了無(wú)窮的啟迪。隨著(zhù)當前科技逐步逼近香農定律的理論瓶頸、內存墻的馮·諾伊曼瓶頸、摩爾定律的工程瓶頸，科技界和產(chǎn)業(yè)界將目光投向了DNA存儲、神經(jīng)形態(tài)芯片、生物啟發(fā)計算等交叉技術(shù)領(lǐng)域。

例如，2013年10月美國半導體研究聯(lián)盟（SRC）便啟動(dòng)了“半導體合成生物技術(shù)”（semiconductor synthetic biology，SSB）研究項目，以研究受生物啟發(fā)的半導體系統，加深對未來(lái)信息通信技術(shù)的認識，把握戰略機遇。美國于2018年首次發(fā)布的“半導體合成生物學(xué)路線(xiàn)圖”，將生物技術(shù)的引入視為半導體領(lǐng)域發(fā)展的重要機遇。從這個(gè)角度看，生物技術(shù)在信息技術(shù)領(lǐng)域的應用，著(zhù)眼點(diǎn)是大數據存儲、高性能計算等方面的需求瓶頸，進(jìn)而從仿生、似生、創(chuàng )生、再生等角度出發(fā)尋求新的解決方案。

生物技術(shù)的研究發(fā)展是對信息技術(shù)的有力支撐，信息技術(shù)的“瓶頸”解決需要從生物技術(shù)發(fā)展尋求啟示；生物技術(shù)與信息技術(shù)的融合發(fā)展進(jìn)入了相互推動(dòng)、齊頭并進(jìn)的時(shí)代，并成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重大推動(dòng)力和戰略制高點(diǎn)。生物技術(shù)、信息技術(shù)與納米技術(shù)等融合形成的“會(huì )聚技術(shù)”（converging technologies），將產(chǎn)生難以估量的效能：“如果認知科學(xué)家能夠想到它，納米科學(xué)家就能夠制造它，生物科學(xué)家就能夠使用它，信息科學(xué)家就能夠監視和控制它”。從這個(gè)角度看，生物技術(shù)和信息技術(shù)的“1+1”融合發(fā)展，或將產(chǎn)生“11”的巨大效能。

早在2001年，美國商務(wù)部、國家科學(xué)基金會(huì )（NSF）、國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì )（NSTC）在華盛頓聯(lián)合發(fā)起由生物技術(shù)、信息技術(shù)、納米技術(shù)等領(lǐng)域的頂級專(zhuān)家參加的圓桌會(huì )議，探討“會(huì )聚技術(shù)”的布局前景。由此開(kāi)始，美國各界高度重視信息技術(shù)與生物技術(shù)的融合。

例如，美國國防高級研究計劃局（DARPA）的諸多項目布局中均體現了生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展的趨勢。在生物技術(shù)領(lǐng)域，美國融合各界共識形成的《21世紀的新生物學(xué)》《會(huì )聚觀(guān)》等報告認為，信息技術(shù)等的會(huì )聚已經(jīng)是生物技術(shù)發(fā)展的核心驅動(dòng)力，為此美國在“腦科學(xué)計劃”“精準醫學(xué)計劃”等重大計劃中均廣泛運用信息技術(shù)融合手段。在信息技術(shù)領(lǐng)域，美國半導體研究聯(lián)盟將目光瞄準了“半導體合成生物學(xué)”并加以重點(diǎn)布局。

總體上看，這一布局的發(fā)展歷程，與人類(lèi)社會(huì )的信息量增長(cháng)有著(zhù)或多或少的聯(lián)系：生物技術(shù)的大發(fā)展，催生了大數據存儲和分析的需求；信息技術(shù)的大發(fā)展，加速了受生物啟發(fā)的解決方案的開(kāi)發(fā)。在這一背景下，歐洲和日本也在加速布局。

除國家層面的布局外，谷歌、微軟等信息技術(shù)企業(yè)紛紛與生物技術(shù)企業(yè)開(kāi)展戰略合作。比較典型的是，多個(gè)大型醫藥企業(yè)或醫藥投資者紛紛與信息技術(shù)企業(yè)開(kāi)展合作，加速融合布局（圖1）。例如，在大數據和人工智能領(lǐng)域，美國麻省理工學(xué)院已與安進(jìn)、巴斯夫、拜耳、禮來(lái)、Sunovion制藥等醫藥公司開(kāi)展機器學(xué)習方法的合作。再如，半導體設備的龍頭企業(yè)泛林（Lam Research）公司已成立投資機構加速半導體合成生物學(xué)研究等方面的布局。

圖1 醫藥企業(yè)與信息技術(shù)企業(yè)的融合布局

從美國“腦科學(xué)計劃”“國家微生物組計劃”“人類(lèi)細胞圖譜計劃”等的資助項目可以看出，生物技術(shù)與信息技術(shù)的深度融合，還將促進(jìn)3D細胞打印、人機智能等顛覆性技術(shù)的發(fā)展，并由此帶動(dòng)系統科學(xué)和系統工程的發(fā)展，推動(dòng)農業(yè)、工業(yè)、健康、環(huán)境、交通等領(lǐng)域的新布局（圖2）。綜合分析來(lái)看，已有的諸多研究布局，都是在這種背景下展開(kāi)。

圖 2 生物技術(shù)與信息技術(shù)融合帶來(lái)的新布局空間示例

其中，比較典型的項目是，美國DARPA和美國情報高級研究計劃局（IARPA）促進(jìn)生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展的研究項目布局（圖3）。整體上看，近年來(lái)這兩大機構的諸多布局，都是在上述的新布局空間背景下展開(kāi)。

圖 3 美國國防高級研究計劃局（DARPA）和美國情報高級研究計劃局（IARPA）的生物技術(shù)與信息技術(shù)融合布局項目示例

生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展帶來(lái)的變革

生物技術(shù)與信息技術(shù)的融合發(fā)展，至少將帶來(lái)8個(gè)方面的重大變革。

信息技術(shù)的深度融入，使得現代生命科學(xué)研究范式發(fā)展成為集人工智能驅動(dòng)的生物設計和生物模擬（“干實(shí)驗”）、自動(dòng)化驅使的實(shí)驗研究（“濕實(shí)驗”）于一體的計算機輔助生物學(xué)（Computer-Aided Biology，CAB）范式；并促進(jìn)了“假設驅動(dòng)的科學(xué)”（Hypothesis-driven Science）先是向“發(fā)現驅動(dòng)的科學(xué)”（Discovery-driven Science）的躍升，進(jìn)而實(shí)現“數據密集型科學(xué)發(fā)現（Data-Intensive Scientific Discovery）”，從而驅動(dòng)“格物致知”與“建物致知”的有機融合，同時(shí)也在“設計—構建—驗證—學(xué)習—設計”的反饋循環(huán)中推動(dòng)信息架構設計、信息科學(xué)理論、信息技術(shù)開(kāi)發(fā)的躍遷。

多學(xué)科、多要素、多層次、跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨區域的生命科學(xué)研究，在闡明生命系統的層次、結構、演化的同時(shí)，也促成了整體性、關(guān)聯(lián)性、等級結構性、動(dòng)態(tài)性、平衡性和時(shí)序性等新研究發(fā)展，從而為系統論、控制論、信息論、耗散結構論、協(xié)同論和突變論的研究發(fā)展提供了新途徑。

生命系統和信息系統都是下級結構有序形成上級結構、上層設計約束下層單元的有序系統：分子組成細胞，細胞構成組織，組織形成器官，器官形成系統；晶體管組成邏輯門(mén)，邏輯門(mén)組成模塊，模塊組成計算機，計算機連接成互聯(lián)網(wǎng)，這些系統的組成、結構、功能、運行和發(fā)展規律，有其可類(lèi)比之處。

在生物技術(shù)與信息技術(shù)的深度融合發(fā)展中，人們對于結構和功能、整體與部分、運行與調控的基本規律認知，必將推動(dòng)生命科學(xué)和信息科學(xué)的新發(fā)現，提升系統科學(xué)和智能科學(xué)的新認知。

生命信息的感知、存儲和計算，已經(jīng)催生了生物傳感器和生物納米物聯(lián)網(wǎng)（IoBNT）技術(shù)、生物啟發(fā)的信息通訊技術(shù)（BICT）、基因測序、基因合成和DNA存儲、系統生物學(xué)分析、人工突觸、人機交互和神經(jīng)調節等技術(shù)的開(kāi)發(fā)，同時(shí)也帶動(dòng)了生物學(xué)計算機輔助設計（BioCAD）工具和合成生物學(xué)開(kāi)放語(yǔ)言（SBOL）等“基礎設施”的開(kāi)發(fā)，極大地豐富了現代生物技術(shù)的生態(tài)。

可以預見(jiàn)的是，生物技術(shù)和信息技術(shù)的融合，或將成為“會(huì )聚技術(shù)”發(fā)展的源頭動(dòng)力，進(jìn)而在與其他技術(shù)的融合發(fā)展帶動(dòng)“涌現效應”的發(fā)生。

生物技術(shù)和信息技術(shù)的融合，更將全面改變農業(yè)、工業(yè)和服務(wù)業(yè)的業(yè)態(tài)，驅動(dòng)產(chǎn)業(yè)的新突破，帶來(lái)新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)和新模式的發(fā)展（圖4），驅動(dòng)精密儀器和裝備、軟件和系統工具、3D打印和4D打印等服務(wù)的創(chuàng )新。同時(shí)，兩者的融合或將產(chǎn)生集數據驅動(dòng)型的“干實(shí)驗室”和自動(dòng)化使能的“濕實(shí)驗室”一體化的“云端實(shí)驗室”，在改變科學(xué)研究模式的同時(shí)，將帶來(lái)協(xié)同研究和轉化研究的新發(fā)展。

圖4 生物技術(shù)和信息技術(shù)融合發(fā)展帶來(lái)的產(chǎn)業(yè)新模式示例

生物技術(shù)和信息技術(shù)的融合發(fā)展，將使“生物-社會(huì )-心理-環(huán)境”醫學(xué)模式具備強大的技術(shù)支撐，進(jìn)而將該醫學(xué)模式的理論優(yōu)勢轉化為實(shí)踐優(yōu)勢，促成以“疾病”為中心向以“健康”為中心的轉變、從“治已病”向注重“治未病”的轉變、從“單一要素防控”向“全方位干預健康影響因素”的轉變、從“依靠衛生健康系統”向“社會(huì )整體聯(lián)動(dòng)”的轉變、從“服務(wù)部分人群”向“維護全生命周期健康”的轉變。

此外，使“每個(gè)人都是自己健康的第一責任人”理念得到健康狀態(tài)辨識、健康風(fēng)險評估、健康自主管理和健康主動(dòng)促進(jìn)等技術(shù)的全面支持，從而構建起支撐從尚未出生的胎兒到老年人群、貫穿家庭社區和醫院的健康信息平臺，消除數據壁壘，暢通共享通道，推動(dòng)醫學(xué)取得突破，幫助百姓獲得實(shí)惠；推動(dòng)覆蓋全生命周期的健康管理服務(wù)、支持全鏈條管理的重大慢性疾病防治，實(shí)現預防、治療、康復和自我保健管理一體化發(fā)展。

綜合來(lái)看，在技術(shù)交叉融合的驅動(dòng)下，健康管理或將實(shí)現早發(fā)現、早診斷、早干預的“關(guān)口前移”，數字化、個(gè)性化、精準化的“一人一方案、一病一路徑”，全面篩查、全程管理、全民健康的“全方位診療”，以進(jìn)一步滿(mǎn)足人民群眾的健康需求。

信息技術(shù)的引入，使生物技術(shù)的工程化開(kāi)發(fā)有了強有力的工具支撐，從而使在DNA合成、細胞制造等方面的能力實(shí)現質(zhì)的突破。

以DNA合成為例，半導體技術(shù)的引入促進(jìn)了新的發(fā)展：第二代DNA合成儀的開(kāi)發(fā)借鑒了半導體技術(shù)，通過(guò)半導體工藝引入發(fā)展了物理掩膜法原位合成儀器、光敏保護基團介導的光控原位合成儀器、基于電化學(xué)介導酸脫保護合成方法的半導體原位合成儀器、噴墨式打印DNA原位合成儀器、基于硅片的噴墨式合成儀器及原位拼接技術(shù)等。

其中，基于硅片的噴墨式合成儀的開(kāi)發(fā)，或將意味著(zhù)這一領(lǐng)域走出類(lèi)似“摩爾定律”的路徑，并為第三代DNA合成儀的開(kāi)發(fā)提供基礎支撐（酶法合成或許也可以與基于硅片的噴墨式平臺相結合）。  

細胞制造的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，或將經(jīng)歷類(lèi)似半導體領(lǐng)域的從“垂直一體化”向“垂直分工”的分化發(fā)展，形成“設計—制造—測試”的垂直鏈條分工，即“細胞設計”“細胞制造”和“細胞測試（分為基本質(zhì)量控制測試和臨床應用測試）”三大環(huán)節，由價(jià)值鏈上的不同企業(yè)分工來(lái)完成。

2017年，美國國家細胞制造協(xié)會(huì )（NCMC）發(fā)布了《面向2025年大規模、低成本、可復制、高質(zhì)量的細胞制造技術(shù)路線(xiàn)圖》的更新版，從其定義的細胞處理，細胞保存、分配與操作，處理監測與質(zhì)量控制、標準化與監管支持，以及員工發(fā)展等環(huán)節，也可以看出分工協(xié)同的思路。因而，細胞制造的成本或將也以類(lèi)似“摩爾定律”的路徑下降，從而帶來(lái)生物制造能力的巨大突破。

上述方面的突破，將為信息技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)新空間。例如，美國發(fā)布的“半導體合成生物學(xué)路線(xiàn)圖”提出了“高能效、小規模、細胞啟發(fā)的信息系統”的開(kāi)發(fā)方向。通過(guò)編程細胞機器與半導體平臺的相互作用，“生物-半導體混合系統”或將具有超過(guò)傳統電子設備的、前所未有的能力，能夠對環(huán)境信號進(jìn)行連續復雜的計算。這些創(chuàng )新產(chǎn)品的制造能力升級，將帶來(lái)空前的發(fā)展潛能。

對人體健康而言，水、土、大氣等傳統環(huán)境要素，分子、細胞、組織、器官和個(gè)體水平的內環(huán)境，以及近人體空間的“小環(huán)境”等“新要素”，都是不可或缺的環(huán)境要素。囿于技術(shù)手段，關(guān)于這些環(huán)境“新要素”的研究在以往相對較少，而生物技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展或將把這些環(huán)境“新要素”與傳統環(huán)境要素結合起來(lái)，使其在人體安康、家庭安居、社會(huì )安全中的作用得到更為充分的研究，從而為包括信息技術(shù)產(chǎn)品在內的新場(chǎng)景、新技術(shù)、新標準、新體系開(kāi)發(fā)提供有力支撐（圖5）。

圖 5 以“環(huán)境 - 健康”關(guān)系為核心的知識圖譜示意圖

生物技術(shù)和信息技術(shù)的交叉融合發(fā)展，推動(dòng)了以種源農業(yè)、智慧農業(yè)、綠色農業(yè)等為特色的健康農業(yè)新體系的建構，提供了名、特、優(yōu)、新的產(chǎn)品和生產(chǎn)、生活、生態(tài)、生息“四生共融”的功能，從而使農產(chǎn)品消費模式由追求溫飽型轉變?yōu)樽非蟀踩I(yíng)養、健康型。

美國國家科學(xué)院（NAS）在《面向2030年推動(dòng)食品和農業(yè)研究的科學(xué)突破》中指出：高精度、精準、可現場(chǎng)部署的生物傳感器等系列傳感器是未來(lái)發(fā)展的底層技術(shù)；實(shí)驗室研究和生產(chǎn)實(shí)踐中的數據脫節是當前的主要瓶頸；將基因組信息、先進(jìn)育種技術(shù)和精確育種方法納入常規育種和選擇計劃是未來(lái)的必要選擇；而土壤和植物微生物組之間的相互作用表征和信息分析則至關(guān)重要。

促進(jìn)生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展的建議

與發(fā)達國家相比，我國在生物技術(shù)和信息技術(shù)的基礎性、先導性、顛覆性布局上仍存在短板，主要表現為生命科學(xué)信息的采集和分析所需的儀器、工具以及平臺嚴重依賴(lài)國外；在生物技術(shù)和信息技術(shù)融合發(fā)展方面的前沿技術(shù)布局系統性不夠；在融合發(fā)展帶來(lái)的范式和模式轉變等方面的認知有待進(jìn)一步深入等。面對未來(lái)戰略競爭制高點(diǎn)，建議在以下領(lǐng)域率先布局，推動(dòng)我國高新技術(shù)向質(zhì)量效能型和科技密集型轉變。

  開(kāi)發(fā)關(guān)鍵共性工具，支持發(fā)展“所需”

針對高維度、跨尺度和多模態(tài)的生命信息采集工具、分析儀器、設計軟件、模擬環(huán)境和驗證體系，仿生感知、通訊、計算和控制所需的基礎元件、器件和模塊等方面，面向戰略制高點(diǎn)率先布局關(guān)鍵共性工具的開(kāi)發(fā)，在工具的“設計—構建—測試—應用—學(xué)習”循環(huán)中驅動(dòng)工具開(kāi)發(fā)能力的“螺旋式”上升。

布局前沿引領(lǐng)技術(shù)，實(shí)現自主“所有”

針對DNA存儲與計算技術(shù)、細胞半導體界面、3D生物學(xué)分析和仿真技術(shù)、人機智能交互技術(shù)等前沿技術(shù)領(lǐng)域，以類(lèi)似“摩爾定律”的性能升級路徑為導向，制定關(guān)鍵技術(shù)戰略發(fā)展路線(xiàn)圖，并依據路線(xiàn)圖采取工程化的模式加以布局實(shí)施。

構建使能技術(shù)平臺，支持協(xié)同“所創(chuàng )”

以構建生命健康數據平臺、智能化細胞構建與制造平臺、基于大數據和人工智能的使能技術(shù)平臺為切入點(diǎn)，促成會(huì )聚范式的形成，推動(dòng)理念融合、技術(shù)集成和工程協(xié)同，實(shí)現高效的協(xié)同創(chuàng )新發(fā)展。

總監制：楊柳春

責任編輯：張帆

助理編輯、校對：PAN

排版：立夏