Peter Sachsenmeier

aHertford College, University of Oxford, Oxford OX1 3BW, UK

bInternational Innovation Center, Hankou University, Wuhan 430212, China

工業(yè)5.0
——仿生學和合成生物學的關聯(lián)及內涵

Peter Sachsenmeiera,b

aHertford College, University of Oxford, Oxford OX1 3BW, UK

bInternational Innovation Center, Hankou University, Wuhan 430212, China

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Received 3 May 2016

Revised 27 May 2016

Accepted 6 June 2016

Available online 30 June 2016

仿生學

合成生物學

生物工程

生物傳感器

生物燃料

生物武器

虛擬進化

原始細胞

異種細胞

經濟意義

工業(yè)5.0

德國

中國

仿生學(模仿生物特殊本領的學科)以及合成生物學，將和過去50年的硅芯片一樣與工程開發(fā)、工業(yè)發(fā)展產生緊密聯(lián)系?；瘜W工業(yè)已經將白色生物技術應用于新工藝、新材料和資源的可持續(xù)利用中。合成生物學也已經應用到第二代生物燃料的發(fā)展中，并利用特制的微生物或生物制催化劑獲取太陽能。而仿生學在制藥、處理工程以及DNA存儲領域的市場潛力是巨大的?！暗窃掠媱潯?Project Moonshot)已經明確把醫(yī)療和新材料作為關注點，一場始于美國的創(chuàng)造大量新分子的競爭已經開始。本文首先概述了當前的一些項目，接下來探討了代碼工程(code engineering)及其影響，包括脫氧核糖核酸(DNA)人工合成、信號分子以及生物回路。除此之外，還探討了涉及人造食物鏈和食物的仿生學前沿——合成代謝，以及原材料生物工程。這些研究將給生物學帶來新思考。生物工程將和今天的數字化技術一樣驅動創(chuàng)新。本文討論了生物工程，特別是碳基生物燃料的應用和細胞飾變的技術與風險。大數據、分析學和海量存儲將是未來的發(fā)展方向。雖然合成生物學在未來50年將和當今的數字化一樣普遍且具有革新能力，但是目前它的應用和影響力還處在初級階段。本文采用了將生物工程發(fā)展分為五個階段(DNA分析、生物回路、最小基因組、原始細胞、異源生物學)的普遍分類方法，闡述了其對安全與保障、工業(yè)發(fā)展以及生物工程和生物技術作為跨學科領域發(fā)展的影響，同時討論了倫理問題及公眾對仿生學和合成生物學結果的公眾討論的重要性。

? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1.引言

工業(yè)4.0和類似的概念，比如“中國制造2025”或數字產業(yè)，還沒有被精確定義，并且還需要長足發(fā)展才能成為一個產業(yè)。這些概念遵循了常規(guī)的發(fā)展路線：從最初狹義的概念，到后期廣泛地使用，特別是當政界、學術界、咨詢領域以及最終企業(yè)團體關注到這一概念，并根據自己的需求重新詮釋它時。大量混合了工業(yè)4.0原始概念及數字技術去中介化理論和實踐的書籍考慮到了實際需求，它們頻繁使用“變革”(transformation)一詞。然而這些概念還沒有深刻影響到主要的中德企業(yè)，不過幫助企業(yè)實現(xiàn)轉型的課程和項目已經非常普遍。根據2016年4月德國阿倫斯巴赫研究所的調查，公眾對工業(yè)4.0的態(tài)度從漠不關心逐漸轉變?yōu)椴恍湃巍９娨呀涢_始關注它將給社會，特別是就業(yè)帶來怎樣的影響。

最初是Cloked以“工業(yè)4.0與未來的工作”為題展開了討論(主要是在人力資源部門)。隨后一些人認為：在相對富裕的社會，我們應該立即采取行動，讓每個人都有政府提供的基本的經濟來源，以防機器人代替人工這一天的到來，甚至還討論了這類資金的具體數值。

本文首先探討了仿生學(模仿生物特殊本領的學科)，隨后聚焦合成生物學。筆者認為合成生物學將和過去50年的硅芯片一樣與工程發(fā)展產生緊密聯(lián)系[1,2]?；跀底忠约熬W絡的技術使得智慧城市和工業(yè)4.0備受關注，合成生物學帶來的改變則預示著一場更加徹底的變革，甚至是地緣戰(zhàn)略的改變：工業(yè)5.0。

那么我們從之前的產業(yè)轉型中學到了什么呢？我們的經驗將幫助我們更好地把握工業(yè)5.0的機遇，還是只會在產業(yè)模式的轉變中帶來消極的影響呢？筆者在面向包括汽車制造業(yè)和移動產業(yè)這類德國主要產業(yè)的研究顯示，這一理念的應用仍遠遠不夠，而且很難預料它在戰(zhàn)略計劃中的作用。

2.仿生學

仿生學在概念上是合成生物學的前身。在仿生學中，我們嘗試模仿進化中人們認為有用的結果或過程，或學習我們想學習的內容。仿生學涉及多個學科，包括科學、工程、建筑、哲學以及設計。基于多學科專家的豐富的視角，我們可以系統(tǒng)地探索自然界如何成功地解決問題。我們通過研究試圖復制或是再設計從自然界分離出的行為。仿生學有許多分支，包括形態(tài)仿生、傳感仿生、結構仿生、動態(tài)仿生、神經仿生、仿生建筑設計、過程仿生、氣候仿生、機器人學以及進化仿生[3]。

仿生學中模仿的自然界行為的過程分為仿生類比和仿生抽象。飛機、螺旋式翼梢小翼、側面模仿貓爪的汽車輪胎以及蜘蛛樣式的腿式機器人都是仿生類比的例子。而仿生抽象的應用包括應用“蓮葉效應”的自潔式表面、模仿樹或骨骼結構的建筑構件、仿生肋條減阻(模仿鯊魚盾鱗肋條結構)、維克牢尼龍搭扣(模仿芒刺的結構)。類似的還有可以應用群體智能和蟻群算法的自治系統(tǒng)(比如2016漢諾威工業(yè)博覽會展示的蟻式機器人)。

3.生物經濟

生物經濟并不是本文討論的重點。為了與合成生物學區(qū)分，本文簡單闡述了生物經濟的概念。德國“國家生物經濟研發(fā)戰(zhàn)略2030”重點關注了五方面：全球糧食安全、農業(yè)生產的可持續(xù)發(fā)展、食品安全與健康、可再生資源的工業(yè)利用和生物質能源。通常來說，德國是生物基產品、能源、加工和服務的動態(tài)研究和創(chuàng)新中心。這些研究希望能擔負起全球營養(yǎng)以及氣候、資源和環(huán)境保護的責任。德國生物經濟研究的中堅力量為創(chuàng)造更廣闊的研究環(huán)境做出了不懈努力，比如德國亥姆霍茲國家研究中心(HGF)涉及植物、環(huán)境、地質、氣候、生物技術和工程的研究，馬克思?普朗學會(MPS)致力于生命科學的研究，戈特弗里德?威廉?萊布尼茨科學共同體以及弗勞恩霍夫協(xié)會都有大量的研究機構。超過30 000位德國科學家在包括63所大學、26所專業(yè)技術學校、104所非大學研究機構和9個政府機構在內的200多家研究機構中從事生物技術問題的研究。

4.白色生物技術

白色生物技術，也稱工業(yè)生物技術，是利用生物體或其產品的技術。和合成生物學不同，白色生物技術利用的是自然界已有的生物來完善或改進工業(yè)處理過程，這一過程常常被認為是生態(tài)友好的。白色生物技術的歷史悠久：人們從幾個世紀前就開始用微生物來生產面包、奶酪、啤酒和葡萄酒。如今酶和微生物已經無處不在了，從洗滌劑到面霜，乃至化學制品、藥物和維生素；同時它們被應用到紡織品、紙張、皮革以及抗生素的生產中。白色生物技術和仿生學聯(lián)系緊密，比如在酶的應用中，利用細菌生產出了“蜘蛛絲”，以及利用植物而不是橡膠樹生產彈性橡膠。白色生物技術涉及包括生物科學、化學、物理學、信息科學和工程學在內的多學科知識。白色生物技術的研究通常在有相互合作關系的機構中開展。

5.合成生物學

合成生物學顯著縮短了進化的時間[2,4]。德國各大報紙的頭條紛紛以諸如“定制生命”“樂高生命”“從零到生命體”，或是態(tài)度消極的“拯救與驚悚”為頭條來報道這一科學進程。這一領域近來受到了越來越多的關注，牛津大學出版社在2016年4月發(fā)表了一篇有關這一議題的文章。德國的“生物技術2020+”項目(www.biotechnologie2020plus.de)整合了這一領域的主要研究體系和網絡。

合成生物學是一種重塑生命體的嘗試，也是悠久傳統(tǒng)的一部分[3]。比如麥田就是一種人工現(xiàn)象而不是自然現(xiàn)象。而科學家們則在不斷增強我們對這種人為干預的理解。細胞構成團塊的納米級世界是非常復雜的，對它的研究離不開計算機、數據分析和海量存儲設備。合成生物學一條重要的定律是脫氧核糖核酸(DNA)的排序和合成遵循摩爾定律和指數增長。第一次基因組測序花費了數十億美元，然而現(xiàn)在個人基因檢測只需要1 000美元，而且預計到2022年只需要數美分。合成生物學過去6年的進展比從前半個世紀的發(fā)展都要大。

5.1.感知合成生物學

什么是合成生物學？舉例說明往往比冗長抽象的概念描述更具說明性。下面就是一些已經存在的合成生物學案例，或是未來的研究方向。

(1) 波士頓的生物科技初創(chuàng)公司Ginkgo BioWorks有一個可以為各種產業(yè)生產標準化微生物，或者叫“生物磚”的工程平臺，同時為生物部件提供開源注冊。

(2) 蛋白質科學用蠕蟲細胞而不是雞蛋來研發(fā)新疫苗，為的是更有效地進行生產。

(3) 美國國家航空航天局(NASA)已經研究替代食品很久了。海藻具有很高的營養(yǎng)價值，許多藻類公司，比如Aurora微藻公司(Aurora Algae)、Blue Marble生物材料公司(Blue Marble Biomaterials)以及Sloazyme公司，都致力于提升這種價值。人造肉也是一個非常具有吸引力的商業(yè)話題。

(4) 倫敦帝國理工學院合成生物學與創(chuàng)新中心的科學家們正在試圖用一種實驗室制造的無害微生物喂養(yǎng)鴿子，來使它們的排泄物更加生態(tài)友好，以此來節(jié)省城市巨大的環(huán)衛(wèi)開支。

(5) 美國國防部先進研究項目局(DARPA)正在從事有關“構建生命系統(tǒng)”(Living Foundries)的研究，通過生物方法進行系統(tǒng)修復，當然精細智能的維護也是需要的。這種技術未來有望應用到受災地區(qū)。

(6) Simple6 技術發(fā)明了一種可以及時在食品工業(yè)中發(fā)現(xiàn)有害細菌的傳感器。未來市場包括醫(yī)療保健、零售食物鏈和水產業(yè)。

(7) 克迪科思(Codexis)公司和許多產業(yè)伙伴、官方伙伴一起探索能吸附大量二氧化碳的微生物基因組(生物催化劑)，希望以此來減少儲存碳的氧化鋁和肥料產品的排放量及成本。想象一下：我們可以通過二氧化碳賺錢！

(8) 通過引入冷凍技術，進行微生物改造，火星有可能變得更接近地球環(huán)境并適宜居住。具有光合作用的藻類和細菌將有可能促進火星宜居性的提升。細菌和合成生物學有可能促進人類移居其他星球的進程。

以上這些多元化的案例展示了合成生物學的諸多可能性。下面的部分將重點關注合成生物學的工程基礎。

5.2.虛擬進化(virtual evolution)

合成生物學的工程師們將會帶來一些快速發(fā)生的、常常有些奇怪的進化結果[5,6]。由于我們有能力人工改造蛋白質，因此對其結構的分析變得更加容易。最近發(fā)現(xiàn)CRISPR基因編輯系統(tǒng)可以改造染色體的任意部分，并且不會帶來意外的切斷和瑕疵。同時克雷格?文特爾和他的團隊創(chuàng)造的“基因組容器”(genome vessels, 2016年3月發(fā)布的最新研究成果，只花費了6 000萬美元)為研制針對感染組織的靶向合成藥物提供了可能性。蛋白質芯片可以當做診斷階段的傳感器。新的生物材料可以被制作成植入物、骨替代物或是用于透析微型實驗(如果不是整個腎臟的話)。工業(yè)酶將以生物處理替代油基燃料的化學處理。新型最小組織對于新的生物多樣性就像磚對于建筑，生物機器將稻草變?yōu)樯锶剂希⑽沾髿庵械亩趸?，我們的人工進化將帶來頑強的人造細胞和新的生物物種。

5.3.人造核酸結構(artifi cal nucleoid acid structure)

通過生物細胞產生具有新功能的人造細胞或是類似細胞結構的生物容器，這一過程仍是非常困難的。如果我們能重新編排生物體的行為，我們也許可以通過納米技術創(chuàng)造出全新的傳感器、納米工廠或是納米生產線；我們可以使用因環(huán)境觸發(fā)而釋放內容物的納米容器；納米開關也是可能實現(xiàn)的。

當然，DNA本身受到復雜的蛋白質、脂質和多糖環(huán)境的影響，要徹底理解它們之間的相互關系，我們還有很多工作要做。

5.4.生物傳感器和生物開關

我們已經在醫(yī)療診斷中應用信號分子，比如我們所說的早期診斷中的標記方法。合成生物學將使得只需占用很小內存的生物開關變成可能?；谛滦偷纳镄盘?，將產生新的示波器、分光儀和其他智能測量裝置，包括供個人即時使用的小裝置，能夠利用自身及云平臺儲備來提供可行性建議，甚至在必要時可以采取行動并發(fā)出警告。將來這類開關裝置可能還會有這樣的功能：它們可以消減某種藥物受到的阻力，比如某種結合細菌的抗生素抗性。

5.5.暢想合成生物學

合成生物學讓我們暢想永久的數據存儲以及在合成DNA中編碼電子數據。我們期待在太空中應用合成生物學，使發(fā)展過程不斷進行并提供高品質的合成環(huán)境，把宇航員從之前的裝載能力限制中解放出來。

5.6.創(chuàng)造新型代謝和生物燃料

創(chuàng)造新的食物鏈是目前合成生物學最緊迫的議題之一，比如說如何借生物技術來可持續(xù)地使用原材料[7]。有時候也會涉及毒性抑制劑的基因切除，或是生產新的香味和味道。相比人造肉，這類假說有更令人激動的可能性[8]。

酶工程的應用(比如發(fā)酵過程)將為制藥業(yè)提供經濟高效的基礎材料，而且有可能創(chuàng)造出新的生物燃料。我們期待隨著這些分析和合成方式的發(fā)展，我們的生物理論觀念可以提升到一個新的高度。

由于碳基燃料具有高能量密度，因此目前我們對其依賴性還是很高。通過光營養(yǎng)或非自養(yǎng)組織，也就是生物反應器，第二代生物燃料將可以充分利用植物而不像現(xiàn)在只能利用4 % [9,10]。油和脂肪酸有可能在分子水平被充分利用，產出生物柴油和合成柴油。光合活性組織將被用于產出作為標準異辛烷原料的異丁烯和異戊二烯[11]。

通過克隆和基因型的整合，細菌可能被作為生物反應器來大量生產和分泌脂肪酸。當然經受了這些操作處理，活細胞仍需要保持穩(wěn)定和活性。我們可以想象有些生物反應器也會因此崩潰。

6.創(chuàng)新和經濟潛力

從產值的角度來看，生物技術產業(yè)目前只占整個化學工業(yè)的不到10 %。生物燃料、酶、抗生素、維生素和氨基酸是生物技術產業(yè)的一些產品，主要應用于制藥、食品、動物飼養(yǎng)、洗滌劑生產等。

在不久的將來，第二代生物產品將會補充經典的基因突變和基因選擇方法。新方法包括代謝工程和系統(tǒng)生物學，也就是有機體的基因改變，或是接受捐獻者的基因。新的代謝將幫助生產新的特定塑料的基礎材料。青蒿素(對抗瘧疾的藥物)、氫化可的松和青霉素未來也會更容易并且以更低的成本生產。

跨學科的合作將會加速這些進展。生物信息學和基因組研究已經緊密聯(lián)系在一起了。更多的化學物質將通過生物技術生產而不是來自自然界本身。新的原材料不斷出現(xiàn)，比如用水藻制造光電涂層。

7.“天使亦魔鬼”的合成生物學：生物防護與安全

從合成生物學為人類提供了一個更好的世界和帶來數不清的益處來看，它有“天使”的一面；從濫用合成生物學的角度說，同時它又有“魔鬼”的一面。為了更好地理解這一領域的內在含義[1,12]，需要從我們已知的到我們未知的方向來梳理合成生物學的發(fā)展(以舉例的方式)。

(1) 已知：DNA合成，包括合成基因、人造染色體、合成病毒和合成整個基因組；

(2) 已知：生物回路，伴隨著基因、生物構建要素、生物磚、代謝工程(比如制藥業(yè))和國際競爭；

(3) 當下：最小基因組，涉及對自上而下合成生物體、減少活體基因組數量，以及對基因電路傳遞功能的探索；

(4) 未知：原始細胞，涉及生物化學替代物、人造磷脂、沒有生命特征的細胞水平運載工具、合成細胞、自下而上合成生物體、合成整個細胞，以及基因工程機器；

(5) 完全未知：異源細胞，涉及生物化學替代物、XNA(“外星”生命)、未知氨基酸、基因擴增和重排、新型核糖體的發(fā)展、異源生物以及化學改性生物(CMO)。

原始細胞，暫且不說異源細胞，很有可能是一種感染源。一旦它們在自然界生存，人類將沒有足夠的力量控制這些細胞。國家法律和國際條約有意控制新生物體的無意識釋放?？茖W家們認為應該隔離這個平行的生物世界，并形成一道“基因防火墻”。

生物恐怖分子和生物武器的制造商很有可能利用合成生物學。這種威脅用委婉的方式說就是“雙刃劍”。過去就曾出現(xiàn)過有意提升毒性的牛痘病毒、脊髓灰質炎病毒基因產生的新型傳染性病毒和通過利用減弱毒性的牛痘病毒作為對抗天花病毒的疫苗。

2004年的《合成生物危害不擴散條約》(A Synthetic Biohazard Non-Proliferation Proposal)亟待更新。開源的生物技術使得產業(yè)的自我調節(jié)以及緩和人類對生物安全的擔憂變得困難。

長期以來我們一直認為計算機領域的濫用是無關緊要的。筆者曾經組織過一次有關手機安全的會議，但當時沒有人認為手機會受到攻擊，那次會議草草結束。今天，手機被各種網絡信息刷屏，成為被攻擊的對象，同時維護網絡安全的成本在不斷提升。類似地，我們呼吁更多有關仿生學和合成生物學影響力的學術和公眾討論；我們需要達成更多具有前瞻性的、有國際影響力的共識，同時需要更有效的維護生物安全的途徑。我們需要國際化的生物安全監(jiān)管機制嗎？是的！而且要盡我們所能。

在美國，惡意活動是生物安全關注的重點。歐洲的關注重點則在生物防護和公眾身上。那么我們現(xiàn)在的風險管理體系足夠應對可能出現(xiàn)的危機嗎？不一定，至少從這些生物技術可能帶來的威脅這個角度來說[14]。筆者希望自毀滅機制能逐漸成為未來合成生物學不可或缺的一部分，以此來降低事故發(fā)生的風險。

德國聯(lián)邦議院的咨詢機構最近就在做旨在降低合成生物學風險的政策文件。

8.地緣政治的變化

仿生學工業(yè)在很多國家都存在。相比之下，合成生物學的分布就沒有那么均勻。合成生物學作為一個重要產業(yè)，即使有政策支持，它在德國的存在感仍然比較低。在荷蘭，三所主要的大學已經同意資源共享。在中國，由于在這一領域的大規(guī)模投資，追求這一領域的收益仍是很重要的，同時監(jiān)管體制較為寬松。不管怎樣，隨著產業(yè)先行案例的開展，我們已經看到了其帶給我們數字化的、意想不到的結果。盡管我們現(xiàn)在還看不清誰將主導工業(yè)5.0，哪個國家將獲益最多。

9.結論

從先前的產業(yè)模式轉換中看到，我們對學術和公眾辯論的必要性總是后知后覺。工業(yè)4.0促成了關于機器人參與的未來生活會是怎樣的討論。工業(yè)5.0的討論則是直擊人類生存之本、物理完整性和人與自然的關系?，F(xiàn)在這個話題看起來還只是個假設，但我們相信很快就會變?yōu)楝F(xiàn)實。

通常來說，技術進步往往是領先于公眾認知的。合成生物學開放語言(SBOL)已經到位了。這一領域被工程師定義，其好處也是從工程角度來評價，可以說工程生物系統(tǒng)將處理信息、操作化學物質、產出材料和結構、生產能量、提供食物，并維護和提升人類的健康和生存環(huán)境。

關鍵問題是如何控制這些產品，誰將獲益。我們應該允許以活體申請專利嗎？我們能接受生物工程對人類胚胎進行什么程度的處理？我們能負擔起怎樣的針對人類的逆向工程，或者說我們允許多少？

通過假設和案例研究，我們必須了解合成生物學的真正內涵。作為一個跨學科領域，它應該被當做許多學科研究不可或缺的一部分。比如說，牛津大學、布里斯托大學和沃里克大學成立了一個聯(lián)合的博士項目，有來自工程學、生物學、生物化學、物理學、植物學、化學、統(tǒng)計學、數學和計算機科學的學生共同參與。合成生物學的研究應該具有全球視野，開放地應對科學、社會和經濟的影響，同時不應該逃避倫理方面的公眾討論。

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* Corresponding author.

E-mail address: Peter.Sachsenmeier@hertford.oxon.org

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(2): 225-229

Peter Sachsenmeier.Industry 5.0-The Relevance and Implications of Bionics and Synthetic Biology.Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/

J.ENG.2016.02.015