本文对5个会聚型案例进行讨论，阐释会聚观为什么会成为一个富有内涵的理念，并证实会聚研究在应用于解决现实生活问题中具有开辟科学新视野的能力。

用于改善疾病治疗的知识网络

精确医学是指针对患者的治疗与诊断方法越来越关注患者的个性化和具体需求；这也是会聚研究所带来众多可能性中最令人兴奋的方向之一。

——Harvey Fineberg

生物医学研究的最新进展带来了数据的爆炸性增长，而会聚研究能够用于发展“精确医学”的概念——更精细、更准确的疾病分类，为诊断、治疗和临床决策带来革命性变化，从而进行更为个性化的治疗并获得患者更好的治疗效果。例如，随着基因组测序的成本不断降低，可获得的基因组数据随之增加，从而有助于人们理解某种疾病和症状(例如高胆固醇症)的根本原因。通过基因组数据，科学家已经发现，大量高胆固醇症患者含有编码低密度脂蛋白受体的非功能性基因拷贝。对于这些患者，单纯采用饮食或运动等保健干预疗法无法有效降低心血管疾病的早期发病率。对这类患者，需要提醒他们的医生在早期阶段使用他汀类药物，而不是首先通过饮食和运动来控制胆固醇水平。

生物医学、技术、临床和监督管理领域的会聚，通过整合多源信息，将有助于为精确医学创建知识网络。收集生物分子数据、个人病史、社会和物理环境信息及健康状况信息并持续更新，并使这些数据对研究团体、医疗保健提供者和公众开放。分析不同数据集之间的联系，例如患者基因组和环境暴露组信息，将有助于科学家提出并验证疾病发生机制，帮助临床医生为每位患者实施基于疾病特征的、量身制定的新疗法。

构建用于基础研究和药物发现的生物医学知识网络。综合性生物医药信息网络的中心是一个信息共享空间，它包括与单个患者相关的疾病信息，并随着常规医疗保健过程中观测研究产生的大量新数据导入而不断更新。来源：NRC 2011a，p. 52

通过这种方法生成的知识网络可以成为一种工具。知识网络所产生的影响之一是可用于改善治疗方法，提高社会阶层及收入能力不同的各类人群的疾病生存率；但这需要生命科学、医学、行为学、社会学和系统科学研究者的参与。意识到导致健康差异性的社会因素、提高医疗建议遵从度、改善医疗保健的组织与交付方式等方面的重要性，将为会聚更多领域的专业知识提供更多机会(Pescosolido et al. 2012)。

三维打印技术将带来新的医疗保健选择

在忍受了数年关节炎带来的痛苦后，患者Brook Hayes 迫切需要进行髋关节置换，但是她的骨科医师认为，Brook 身材娇小且髋关节畸形严重，这意味着标准的髋关节置换手术未必有用，她需要定制的髋关节移植物。为了制作这些材料，她的医疗团队转向三维(3D)打印技术(Mayo Clinic 2013)。

当前工程学和生物技术的会聚研究已经把3D 打印技术推进到医学界。根据计算机断层扫描方法扫描患者身体获得的信息，医生能够定制关节移植物及其他医疗器械(例如齿科移植物或助听器)，并按照需要进行组装。打印完成的装置不仅与患者需要的尺寸和形状一致，而且快速装配的模型也能为外科医生在进入手术室前，提供针对困难手术操作的练习机会。

虽然大多数3D 打印机使用塑料制作物件，但是全球的研究者也在研究如何使用活体细胞进行3D 打印，构建用于研究和移植的器官和组织。传统组织工程技术要求在一个人造的支架上接种活体细胞，从而构建软骨、骨骼或肌肉。与之不同，生物3D 打印技术理论上允许研究者控制细胞及其他组件的位置，从而更贴合自然结构(Fountain 2013; Ozbolat and Yu 2013)。

器官和组织的3D 打印的概念模型。细胞和生物材料的液流通过3D 装置被逐层放置。一个独立的喷嘴建立了循环灌注介质的微流体通道。

来源：版权2013 IEEE。授权复制于Ozbolat and Yu 2013，图5

在生物医学领域应用3D 打印技术要求整合多种学科的知识：在生命科学方面，需要了解如何在打印过程中维持细胞的活性；在材料科学方面，需要寻找生物相容性支架来支撑细胞；在电气和机械工程方面，需要设计并构建装置。整合多个领域共同处理这一研究前沿问题，将取得单独一门学科无法实现的进步。

联邦机构实施的会聚项目：ARPA-E

会聚研究不仅发生于学术领域，还深嵌于政府部门的创新性项目。DOE 先进能源研究计划署(ARPA-E)于2007 年获得《美国竞争法》法案授权，并于2009年正式部署研究计划，其目标是“将科学转化成为能源技术领域的巨大进步”(Majumdar 2013)。在其短短的历史上，ARPA-E 已经成功实施了若干会聚研究计划。其中一个计划旨在整合合成生物学、微生物学、化学领域的知识来发展电燃料(electrofuels)，这是一种新型的、效率可能更高的可再生能源(Ritter 2011; ARPA-E 2014)。

科学家在一次为期两天的研讨会上提出了发展ARPA-E 电燃料计划的设想，但计划一经提议便遭到质疑。然而，不到18 个月，电燃料计划就汇集了产业和学术界的各种专业知识，并以氢和二氧化碳作为输入源成功发明了一种电燃料。这里介绍一个案例：OPX 生物技术公司是一家总部位于科罗拉多州的可再生化学公司，它利用极端微生物为各种工业应用生产能量充足的长链脂肪酸分子。同时，北卡罗来纳州立大学的合成生物学家研发了一种把脂肪酸转化成液体燃料的化学工艺。为了发明新的电燃料，研究人员分离得到一种天然利用氢气和二氧化碳生长的细菌，并利用一种名为“高效导向性基因组工程”(EDGE)的专利技术对这种微生物的基因组加以修饰，使之把用于生长的能源和碳源转向为产生脂肪酸——从而更加高效地生产燃料。最后，合成生物学家利用一系列化学工艺把脂肪酸转化为液体运输燃料。这个计划展示了会聚观如何吸收多种领域研究人员的专业知识并互相补充，来优化电燃料的生产。

产业界中发生的会聚：生物技术

产业界通常自发通过跨学科视角来探索问题的解决方案，因此，产业界也是很多会聚工作中的盟友和伙伴。

商业化生物技术的会聚研究历史可以帮助我们理解在产业背景下支持研究和创新的组织文化的发展历程。例如Illumina 公司的创立历程，这个案例将帮助我们了解培育会聚研究的过程，并将这些知识应运用于商业部门以外的机构。

会聚案例：Illumina 有限公司

Illumina 公司的创建与发展是一个典型的会聚案例，它需要整合科学家、工程师、风险资本家和商业经理人的知识和才华，还需要一些好运气。Illumina 公司的“磁珠阵列”(BeadArray)技术的关键设想由塔夫斯大学的David Walt 及其实验室提出，而这又源于他们对于光纤传感器和化学监测方法的研究。最初，他们在劳伦斯利物莫国家实验室使用高能激光器和通过艰辛工作获得了少量光纤维。而这些工作又极大受益于电信行业廉价而强大的光学组件。无独有偶，材料科学的自主研究能使小型反应孔被蚀刻在光调制表面上。核酸合成和基于磁珠的组合化学的平行工作激发了蚀刻孔“微阵列”的灵感，每个蚀刻孔中容纳了随机沉积的光学编码化学探针磁珠。新系统的高密度、内部冗余、再现性和灵活性，使其拥有广泛应用前景(David Walt，个人通信)。

认识到上述特性和核酸测量的潜在市场机遇，风险投资者于1998 年支持创建了这家公司。公司的持续成功需要进行科学技术专家与商业专家的深层会聚，其中涉及市场分析及产品应用的开发。Illumina 的一项决策是参与国际人类基因组单倍体图型计划，编排人类遗传变异的目录，这为Illumina 提供了一个展示其技术的机会。2007 年，Illumina 收购的Solexa 公司也帮助其扩充了技术体系。Solexa 是根据剑桥大学Shankar Balasubramanian、David Klenerman 等先期研发的核酸“边合成边测序”(SBS)技术创建的。这项集合了化学和信息科学的技术能够随着增长DNA 链延伸读取单一的DNA 碱基。Illumina 的核心磁珠阵列技术和SBS 技术为最近推出的HiSeqX 高通量测序平台打下了基础。据报道，该平台每天能够生成高达600GB 的基因组数据。公司声称，HiSeqX 10 平台集合了10 个HiSeqX 系统，专为巨大规模的人类基因组测序所设计，其测序价格已经能触及1000 美元1 个基因组的理想目标；这一直是生命科学界长久以来努力的目标(Illumina 2014)。

商业创新者既能加速也善于推广会聚研究的社会收益。他们在生物医药事业中的定位，促使他们接近并接受会聚观的挑战和机会。商业化组织的制度灵活性能够降低会聚研究的障碍，因为一个动态的商业部门会在追求新机遇时主动忽略学科边界并清除屏障。此外，商业组织在会聚研究与可能加速或阻碍新发展的广泛社会环境的交汇界面上都表现得更为活跃。那些非技术领域，包括金融、经济、国家政策和企业管理的专业知识的加入，既可以看作是会聚研究发展的有利因素，也是其收益的成果。

正在发展的生物学领域的会聚革命将带来更多可转变为商业或社会效益的机遇。一个可能的例子是处于萌芽领域的合成生物学，从很多方面来看，它是系统生物学的必然结果。倘若能够利用工程原理和设计原则来理解和预测生物系统的行为，那么也可以使用这些知识来设计具有预期性质的新型生物系统，并应用于健康、能源、农业、制造、环境及信息与计算等广泛领域。合成生物学的关键需求在于制造大量新的候选元件(例如基因)用于进一步构建生物实体。Gen9 和Ginkgo BioWorks 等刚刚创立的公司正致力于满足这一会聚需求。

会聚观加速生物经济的发展

最后一个关于会聚应用的案例关注会聚观在加速创新生态系统中的作用。这一创新生态系统出现在学术研究中心附近或与其合作的过程中。很多会聚型研究机构和项目包含了创业这一元素。例如，加利福尼亚大学定量生物科学研究所(QB3)就训练其研究生和博士后如何创建公司，并以“研究所内的初创公司”概念支持他们。据报道，在过去2 年内，这项服务帮助其研究生和博士后创立了140家公司，其中35 家小型初创公司目前持续运转，并以象征性的费用及低成本的设备费使用或租用QB3 的空间。据报道，QB3 的孵化器增加了300 多个就业岗位，为小型公司带来了1.5 亿美元的商业项目资金、天使投资或风险投资资金，而QB3仅投资了100 万美元(Kelly 2013)。这些收益是QB3 创建共同体的结果，共同体内大量利益相关者围绕开发新的产品与应用进行广泛互动，而这一生态系统正以新的方式进行会聚。据报道，哈佛大学威斯研究所同样不仅仅以在期刊发表文章这一典型学术指标来评价其研究人员，他们还关注知识产权、企业联盟、许可协议和5 年技术储备等指标，这使得其研究所的文化不同于传统的学术机构，而更像一个初创技术公司。

定量生物科学研究所(QB3)的会聚创新生态系统涉及政府与大学和产业合作伙伴之间的动态互作。

来源：加利福尼亚大学定量生物科学研究所(QB3)主任Regis Kelly 惠赠

很多会聚项目的重点在于跨越发现和应用，它与《ARISE II 推动科学和工程研究：释放美国研究创新事业的潜力》报告提出的建议遥相呼应——我们需要横跨学科和利益相关者的整合。曾有人表示，在人们相互交流的过程中，在能发挥人们创造性的校园和附近研究机构的人们往来间，创新不断地实现。这种现象在波士顿大都会区得到证实——技术公司集中坐落在麻省理工学院、哈佛大学、麻省总医院等机构周围。在这种生态系统中，新型公司跟着学术中心迁入或建立。类似的生态系统坐落于斯坦福大学和密歇根大学北校区研究综合体等会聚枢纽的周边。

多家高新技术企业集群分布在麻省理工学院附近，成为由会聚活动所创造和维持的生态系统的一部分。

来源：麻省理工学院研究所教授Phillip A. Sharp 惠赠

本文由刘四旦摘编自[美]美国科学院研究理事会编，王小理、熊燕、于建荣译，吴家睿校《会聚观：推动跨学科融合》一书，有删减。生物学研究正处于重大变革之中,而美国科学院研究理事会“健康与会聚面临的关键挑战”咨询委员会调研报告指出,“会聚观”是推动生物科技革命的战略思想和方法。本书正是该委员会的调研报告全文。报告一方面讨论了关于交叉和会聚观等核心概念与思想,阐述了正在发生的生命科学与物质科学和工程学等学科的跨界趋势;另一方面总结了影响会聚研究的重要体制、机制和文化因素,介绍了美国科技界推动会聚活动的重要实践案例,并提出加强会聚研究的一系列策略和建议。

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