当今世界，科技发展日新月异，创新速度明显加快，颠覆性技术不断涌现，技术更替和成果转化周期日益缩短，产业形态发生深度调整。生命科学、生物技术与信息技术等交叉融合正在引发新一轮科技革命和产业变革，从而更加深刻地改变着人们的生产生活方式乃至思维方式和认知模式。

2015年，生命科学领域取得多项突破，并向转化研究推进；技术持续更新，逐渐向高精度、高效率、高通量，以及动态、大规模发展。学科的汇聚、技术的推动，生命科学研究不断向纵深推进，健康与疾病发生机制研究的视角不断丰富，疾病防治手段更加多样化，改造、合成、仿生、再生研究的深度和广度不断拓展。Nature、Science、Nature Methods、MIT Technology  Review、Scientific  American等刊物也对2015年度的生命科学和生物医学突破进行了评选，并预测了未来值得关注的科学进步和创新性技术。

重大研究进展

2015年，合成生物学的应用范围不断拓宽，进入应用导向的转化研究阶段；脑科学基础研究产出系列成果，类脑研究与人工智能开始出现突破；干细胞与再生医学领域持续稳步发展，应用转化进程进一步推进；微生物组研究快速发展，相关领域科学家呼吁启动全球微生物组计划；另外，疫苗研究获得多项突破，为更多传染性疾病的预防带来希望；免疫疗法快速发展，为癌症、多发性硬化症和艾滋病等重大疾病治疗带来新希望。科研进展的同时，生命科学领域的技术也不断革新。基因组编辑技术持续更新，使用范围进一步扩大，其较为成熟的技术也逐渐推向临床，与此同时，其涉及的伦理问题也引起广泛关注；成像技术发展逐渐趋向高分辨率、动态、多重成像；光遗传学技术也向精准、高效发展；单细胞分析技术以及测序技术也逐渐向高精度、高效率、大规模、高通量分析发展。

合成生物学应用范围不断拓宽，进入应用导向的转化研究阶段

合成生物学逐步从基础前沿的探索阶段进入应用导向的转化研究阶段。美国斯坦福大学的研究人员通过对酵母进行“编程”实现了从葡萄糖到阿片类药物吗啡的完整生物合成路径，这是继青蒿素生物合成后的又一里程碑事件，该成果入选2015年Science十大科学突破。

以临床应用为导向的研究广获聚焦，美国伊利诺伊大学与西北大学的研究人员发现一种在细胞内产生蛋白质和酶的人工核糖体]可用于生产新型药物和下一代生物材料；美国加州理工学院研制出世界首个由蛋白质和DNA构成的合成结构生物材料，为药物的精准传递与释放控制打开了大门；瑞士苏黎世理工学院发现合成细胞因子转换器细胞可针对银屑病、类风湿性关节炎等慢性炎症，选择性地检测相关疾病的生物标志物，释放细胞因子抑制炎症，从而达到精准治疗的目的。

同时，出于对合成生物危害性的考虑与转基因生物的防控，科研人员开发新方法预防基因工程细菌制造“祸端”，或按照美国哈佛大学与耶鲁大学的做法，使其需要合成特殊氨基酸才能生产其必需的蛋白质；或采取美国麻省理工学院的方案，将“死亡开关”添加到转基因生物的基因通路当中。

脑科学基础取得系列突破，类脑研究与人工智能成果初现

在政策的强力支持和推动下，脑科学研究开始产出系列成果。美国弗吉尼亚大学医学院首次发现了大脑中存在淋巴管，可直接与外周免疫系统连接产生免疫反应，颠覆了过去认为大脑是免疫豁免器官的概念，该成果入选2015年Science十大科学突破。美国贝勒医学院绘制了迄今最为详尽的大脑连接图谱，完成近2000个成体小鼠视觉皮层神经元的形态和电生理特征，描述了超过11000对细胞间连接。美国NIH与北卡罗来纳大学医学院开发的新型化学遗传学（chemogenetic）技术通过启动和关闭神经元，揭示控制小鼠行为的大脑回路；美国哈佛大学、波士顿大学医学院和麻省理工学院建立了神经元高精度成像和分析系统，首次构建了哺乳动物大脑新皮层数字立体超微结构图；美国哈佛大学开发了软性大脑电子探针，并植入活鼠体内证明了其安全性。

美国加州大学圣塔芭芭拉分校首次仅用忆阻器创建出神经网络芯片；美国IBM进一步利用TrueNorth芯片构建了人工小型啮齿动物大脑；瑞士洛桑联邦理工学院成功构建大鼠躯体感觉皮层部分神经回路的数字模型。这一系列进展推动了类脑计算的发展，迈出数字化大脑道路上的重要步伐。

超出程序设定的智能行为是通向人工智能之路的标志性一步。谷歌、Facebook等公司正在推进机器深度学习技术，并开始商业化。5月面世的谷歌照片APP，可以更抽象的水平识别图片中的元素，进而从数百万张照片中识别不同脸孔；DeepMind公司已利用深度学习技术研发了一个能够自学视频游戏的计算机软件，可在游戏进行到一半时，击败多数专业玩家。

干细胞与再生医学研究稳步发展，应用转化进程进一步推进

干细胞与再生医学领域持续稳步发展，应用转化进程进一步推进。基础研究方面，英国剑桥大学与以色列魏茨曼科学研究院的科研人员将胚胎干细胞成功“逆转”为原始生殖细胞，首次将细胞重编程至如此早期的阶段，该成果入选Cell评选的十佳论文；北京大学研究人员进一步阐明化学小分子重编程技术的分子机理，为化学诱导方法更加广泛地应用于体细胞重编程和再生医学奠定了基础，该成果入选Cell评选的中国年度论文。2015年，澳大利亚墨尔本大学与昆士兰大学联合荷兰莱顿大学、美国加州大学伯克利分校联合格拉德斯通心血管疾病研究所、美国密歇根大学与加州大学联合辛辛那提儿童医院医疗中心等机构分别成功构建了肾脏、心室和肺，由干细胞构建的微器官类型已达十几种。产业化方面，欧洲在2015年批准了首个干细胞治疗产品Holoclar，用于治疗因眼部灼伤导致的中度至重度角膜缘干细胞缺乏症，迈出了干细胞产业发展的第一步。

微生物组研究快速发展，呼吁启动微生物组计划

微生物在健康、环境、农业和工业等领域的应用潜力巨大，于2010年启动的地球微生物组计划（Earth Microbiome Project），旨在分析全球微生物群落，预期将在2016年获得其首批研究成果。

始于2007年底，美、英、法、中、日等多个国家参与的人类微生物组计划不断推进，促进了肠道微生物与人类健康的研究。目前，全球正在酝酿微生物组计划。2015年美国国家科学技术委员会（NSTC）发布了微生物组研究评估报告；10月，美国科学家在Science上发文倡议美国开展联合微生物组计划（Unified Microbiome Initiative，UMI）；与此同时，德国、中国和美国科学家在Nature上发文呼吁建立国际微生物组研究计划。

疫苗研究获得多项突破，为更多传染性疾病的预防带来希望

2015年，疫苗研究获得一系列成功，为传染性疾病的预防带来希望。世界卫生组织领导的临床研究中，埃博拉疫苗rVSV-ZEBOV终于获得成功，其有效性可达75-100%；通过近30年的酝酿，全球首支疟疾疫苗迈出重要一步，在非洲儿童临床试验中可降低30%的发病率，预计最早于2017年实现商业化；12月，墨西哥批准了全球首支登革热疫苗Dengvixia，此疫苗有效性虽仅60%，但可有效预防已感染登革热病患再度感染其他病毒株，该疫苗生产商法国赛诺菲公司将进一步向其他国家申请上市批准。除一系列新疫苗研制获得成功外，脊髓灰质炎疫苗使尼日利亚首次整年未出现新发脊髓灰质炎病毒感染，为全球消灭脊髓灰质炎奠定了基础。

免疫疗法快速发展，为重大疾病治疗带来机遇

随着人类免疫系统和疾病发生机制认识的深入，免疫疗法成为防控许多重大疾病的重要手段。自2013年癌症免疫疗法入选Science十大突破以来，领域研发热度持续不减，被视为癌症、多发性硬化症和艾滋病等疾病治疗的新机遇。2016年美国国情咨文中提出了癌症登月计划，其中的重点之一就是癌症免疫疗法的开发。多种癌症被验证可利用免疫疗法进行治疗，而治疗癌症的抗体药物特别是靶向程序性死亡受体-1（PD-1）及其配体-1（PD-L1）的抗体药物，成为国际医药巨头竞相布局的焦点。

技术进步

基因组编辑技术不断革新，进一步推向临床

以CRISPR为代表的基因组编辑技术仍然是2015年最受关注的技术领域，CRISPR技术“史无前例”二次登上Science评选的年度十大突破，且位居榜首。2015年，美国麻省理工学院围绕CRISPR/Cas系统的脱靶问题进行改进和完善，并通过与其他先进技术的结合扩大其应用，此外，美国斯坦福大学医学院设计的缺陷基因功能性拷贝插入患者基因组中的新方法可能会超越CRISPR/Cas系统，成为基因组编辑新技术。另外，美国加州大学伯克利分校利用CRISPR/Cas系统实现RNA的精确切割进一步扩展了其应用范围。另外，美国麻省理工学院基于CRISPR技术发明了DNAi，能够迫使转基因大肠杆菌剪除其修改过的基因片段，防止基因片段逃逸而污染环境。基因组编辑技术有望成为生命科学研究的通用技术。

2015年基因组编辑技术开始应用于人类疾病治疗的临床试验。研究人员一次性编辑了猪胚胎基因组中的62个位点，给异种器官移植带来希望；基因组编辑技术初创公司Editas Medicine获得谷歌等1.2亿美元的资助，计划到2017年将CRISPR技术用于临床试验，以矫正视力受损患者体内的某个基因突变；英国研究人员利用TALEN技术编辑人类免疫细胞的基因组，用于治疗患白血病的儿童；2015年底，Sangamo BioSciences生物科技公司宣布，2016年将开展利用ZFN技术修正导致血友病基因缺陷的人体试验。

基因组编辑技术的发展随之带来的安全隐患和道德伦理挑战也成为公众关注的焦点。2015年，修饰物种（如蚊子等）基因，以减少其数量或减少其携带病毒所导致疾病，以及中山大学首次利用CRISPR/Cas技术改造了人类胚胎基因组，引发全球热议。12月，美、英、中共同举办人类基因编辑国际峰会，全球专家对基因编辑技术所带来的基础研究变革、潜在应用，以及由此引发的社会问题、政府监管及法律问题进行了探讨，认为现阶段应禁止对人类胚胎和生殖细胞进行基因组编辑。

成像技术发展趋向高分辨率、动态、多重成像

成像技术同样备受关注，单粒子低温电子显微镜（cryo-EM）在2015年突破了3埃（Å）的分辨率障碍，已经逐渐成为一种主流结构生物学技术，该技术被评为2015年Nature Methods评选的年度技术，这也是成像技术连续第二年入选。另外，美国普渡大学大大提高了体内振动光谱成像技术收集图片的速度，会在光子进入组织前对其进行颜色编码；霍华德休斯医学研究所开发的新型显微镜，可更加清晰、全面的观察活体动物的动态生物过程；美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的SR-STORM显微镜，可通过真彩超高分辨率显微成像获得每个标签分子的光谱和位置信息，实现了多靶标成像。Nature Methods认为，全新的特异性蛋白标记及活细胞多重成像技术是2016年值得关注的技术。

光遗传学技术向精准、高效发展

光遗传学技术已在单细胞分辨率水平上实现了对神经元的高效操控，从而为实现神经微解剖走出了第一步。英国伦敦大学结合基因组编辑技术与光遗传学技术操控神经细胞，可将更小的子光束选择性靶向单个脑细胞；美国德州大学医学院在海藻中发现首个光控负离子通道，能更快地抑制神经元活动，是目前最高效的光遗传蛋白。

单细胞分析技术逐渐实现高精度、大规模分析

单细胞分析技术在2015年获得重大飞跃，美国哈佛大学、麻省理工学院及麻省理工学院-哈佛大学布罗德研究所等机构将单细胞测序并行检测的细胞数量从100增加到几千。此外，美国德克萨斯大学研发的单细胞外显子组测序法（SNES），英国桑格研究所与牛津大学、剑桥大学等机构合作研究的基因组转录组并行测序技术（G&T Seq），美国细胞研究（Cellular Research）公司开发的基因表达流式细胞测序技术（CytoSeq），中国华中农业大学与美国明尼苏达大学联合推出的单孢子测序技术，使单细胞组学能够展开大规模、高精度的分析。

测序技术的精度、效率进一步提高

测序技术方面，美国国家标准与技术研究院提出的石墨单分子层孔道DNA测序法实现了高速度、高精度与高效率；与此同时，瑞士洛桑联邦理工学院通过减缓测序中DNA流速将测序精度提高了1000倍，自此单分子实时测序技术（SMRT）不仅能够高效助力多个植物和动物基因组的研究，而且具备更加精准的特性。

本文摘编自科学技术部社会发展科技司，中国生物技术发展中心编著《2016中国生命科学与生物技术发展报告》第一章，内容有删减。

2016中国生命科学与生物技术发展报告

科学技术部社会发展科技司，中国生物技术发展中心  编 著

北京：科学出版社，2016.11

ISBN 978-7-03-050774-7

《2016 中国生命科学与生物技术发展报告》总结了 2015 年我国生命科学基础研究、生物技术应用和生物产业发展的主要进展情况，重点介绍了我国在组学、脑科学与神经科学、合成生物学、非编码 RNA、表观遗传学、结构生物学、免疫学、干细胞等领域的研究进展以及生物技术应用于医药、农业、工业、环境等方面的情况，分析了我国生物产业及细分领域的发展态势，并对 2015 年生命科学论文和生物技术专利情况进行了统计分析。《2016 中国生命科学与生物技术发展报告》分为总论、生命科学、生物技术、生物产业、投融资、文献专利 6 个章节，以翔实的数据、丰富的图表和充实的内容，全面展示了当前我国生命科学、生物技术和生物产业的基本情况。

（本期编辑：安静）

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