抓住大数据时代生命科学“会聚研究”机遇(1)
2017年11月2日，中国科学院科技戰略咨询研究院等单位在北京举办“研究前沿：合成生物学专题论坛”，论坛邀请中国科学院院士、中国科学院上海生命科学研究院赵国屏研究员做了题为《合成生物学——工程化的科学研究，“会聚”的创新范式》的主题报告。赵国屏研究员在接受记者采访时表示，合成生物学是一门新兴的交叉学科，其颠覆性的技术创新和工程化研究的概念，不仅让人类“可以像组装机器一样装配新型生命系统”的理想变为可能和现实，更因生命科学研究进入“大数据”时代数据密集型范式的机遇，形成了“会聚研究”的革命态势，为人类追求自身、环境乃至社会健康发展拓展了能力提升的广阔空间。
生命科学的三次革命
赵国屏研究员说，从宇宙的角度看，生物和生命活动所涉及的空间和时间尺度都是那么的“微不足道”；然而从人类的角度看，自然界与自身息息相关的那部分都是“有生命”的，这就是生物学最基本的研究对象。从生物学领域向微观延伸，便是化学所要研究的分子、原子以及物理学所要研究的基本粒子；向宏观延伸，则涵盖了天文学和地学两大学科。与各门学科一样，生物学起步于观测和描述。由于生命现象自身的复杂性，20世纪之前虽然人们在对细胞的形态观察、对遗传的规律认识、对生物进化的概念理解上有所突破，但生物学整体上未能实现向研究其普遍的构成本质及运动规律的“生命科学”的飞跃。20世纪以来，微观层面的生物化学、细胞遗传学、细胞生物学和发育生物学，以及宏观层面的生态学和进化生物学等相继得到发展，推动了生物学从以分类描述为特征的传统科学，向以机制研究为核心的现代生命科学的转变。以此为基础，20世纪中叶以来，生命科学研究在技术、认知和能力方面爆发了三次革命。
赵国屏研究员介绍，生命科学的第一次革命是分子生物学。1953年DNA双螺旋结构的解析，不仅在分子水平上明确了遗传物质，而且迅速确定了DNA自我复制传承遗传信息，和“从DNA到mRNA到蛋白质”的这一遗传“中心法则”。同时，一系列可用于精准操控核酸的酶与载体的发现及其相关转化技术的发明和应用，最终促成了以遗传的中心法则以及DNA重组技术为标志的分子生物学革命，由此极大地推动了人类对生命运动规律的认识。20世纪70年代起，结合对基因表达调控的认识，实现了在一定程度上对生命过程的模拟或改造，形成了以分子生物学技术为基础的新一代生物工程。
生命科学的第二次革命是基因组学。鉴于肯尼迪“向肿瘤宣战”计划的失败，Renato Dulbecco于1986年发表具有历史意义的《肿瘤研究的转折点：人类基因组测序》一文，提出“如果我们想更多地了解肿瘤，从现在起必须关注细胞的基因组”的科学假说，以及“从对人类细胞基因组测序入手”的研究策略，由此启动的人类基因组计划及其成功实施，标志着生命科学第二次革命的到来。这次革命的直接成果是对生命本质的认识从单个基因或单个分子功能层面，上升到了对整个生命体或生命过程整体认知的基因组层面；而对生命科学的研究体系而言，则是引入了除“实验-分析”之外的“数据”，以及与获取数据、分析数据和利用数据相关的一系列“生物信息技术”，并由此形成生物信息学、计算生物学乃至理论生物学等新兴学科。特别值得一提的是，20世纪90年代形成了综合(干)与实验(湿)两类数据，在系统科学“自上而下”分析理念指引下研究生物体和生命运动规律的系统生物学。
生命科学的第三次革命是会聚研究。世纪之交，利用基因元件，在工程学“自下而上”理念指导下，设计并构建基因线路(生物开关、振荡子以及自动调节的负反馈线路)获得成功，标志着工程科学与生命科学的融合，产生了合成生物学。2011年，美国麻省理工大学发布《第三次革命：生命科学、物理科学和工程学的会聚》；2014年，美国国家科学院发布《会聚：促进生命科学、自然科学、工程等领域的跨学科整合》报告。与前两次革命聚焦于技术与知识的颠覆性突破不同，“会聚”革命的核心，则是能力的提升，是人类自身智力、体力乃至整个社会能力的提升。以著名的NBIC来表述：如果认知科学家(Cogno)能够想到它，纳米科学家(Nano)就能够制造它，生物科学家(Bio)就能够使用它，信息科学家(Info)就能够监视和控制它。
赵国屏研究员简要回顾了中国科学家在生命科学发展史的三次革命中曾经作出的贡献。1956年举行的青岛遗传学会议为中国科学家日后迎接分子生物学革命奠定了基础。1958～1965年，中国科学院上海生化所和有机所以及北京大学的生物化学家与有机化学家，共同完成牛胰岛素全人工合成。这不仅是中国科学家在合成科学领域完成的一件领先全球的成果，对分子生物学革命的直接贡献，也体现了中国生命科学家有组织大科学计划的决心和能力。改革开放之后，我国于1992年启动水稻基因组工作。1993年，在谈家桢和吴旻先生支持下，国家自然科学基金委启动“中华民族基因组中若干位点基因结构与功能的研究”，该项目由强伯勤先生和和陈竺先生主持，标志着中国人类基因组研究的起步。中国人类基因组计划的启动不仅有力支撑了中国科学家及时参与了由发达国家启动的大科学计划，同时还保证了中国在生命科学的第二次革命中从“跟跑”步入了“并跑”的地位。
合成生物学带来全新思维和方法
赵国屏研究员说，对合成生物学内涵的理解至今依然是“见仁见智”，但是其核心应该是工程化的生命科学研究，即以创建新生命体系目标为导向的、“自下而上”的在工程学研究理念指导下的生命科学与生物技术研究；以及生命科学研究的工程化，即在生命科学研究中实施基于系统科学的计算与设计，基于合成科学的基因组与生物分子操作，基于计量科学的对生命元件到体系的检测与测试三位一体循环，提升优化的研究模式。
合成生物学以构建“工程化的生命”为目的，为生命科学研究带来了全新的思维、战略和方法，是相对于传统的“格物致知”方法学的一场革命。生命起源、生物进化(演化)、生物体复杂的结构-功能等生命科学前沿问题，有望在“建物致知”理念的引导下取得突破。合成生物学在“生命的工程化”理念指导下，正在颠覆传统的生物工程和代谢工程。在标准化元件模块的基础上，人工设计复杂系统并在人工底盘上实现可重复、可定量、可调控的合成构建。利用“建物致用”理念指引下发展起来的合成生物学技术，有望用于应对人类社会面临的各种挑战，并在医学、制药、化工、能源、材料、农业等领域都有着广阔的应用前景。, 百拇医药(潘锋)
生命科学的三次革命
赵国屏研究员说，从宇宙的角度看，生物和生命活动所涉及的空间和时间尺度都是那么的“微不足道”；然而从人类的角度看，自然界与自身息息相关的那部分都是“有生命”的，这就是生物学最基本的研究对象。从生物学领域向微观延伸，便是化学所要研究的分子、原子以及物理学所要研究的基本粒子；向宏观延伸，则涵盖了天文学和地学两大学科。与各门学科一样，生物学起步于观测和描述。由于生命现象自身的复杂性，20世纪之前虽然人们在对细胞的形态观察、对遗传的规律认识、对生物进化的概念理解上有所突破，但生物学整体上未能实现向研究其普遍的构成本质及运动规律的“生命科学”的飞跃。20世纪以来，微观层面的生物化学、细胞遗传学、细胞生物学和发育生物学，以及宏观层面的生态学和进化生物学等相继得到发展，推动了生物学从以分类描述为特征的传统科学，向以机制研究为核心的现代生命科学的转变。以此为基础，20世纪中叶以来，生命科学研究在技术、认知和能力方面爆发了三次革命。
赵国屏研究员介绍，生命科学的第一次革命是分子生物学。1953年DNA双螺旋结构的解析，不仅在分子水平上明确了遗传物质，而且迅速确定了DNA自我复制传承遗传信息，和“从DNA到mRNA到蛋白质”的这一遗传“中心法则”。同时，一系列可用于精准操控核酸的酶与载体的发现及其相关转化技术的发明和应用，最终促成了以遗传的中心法则以及DNA重组技术为标志的分子生物学革命，由此极大地推动了人类对生命运动规律的认识。20世纪70年代起，结合对基因表达调控的认识，实现了在一定程度上对生命过程的模拟或改造，形成了以分子生物学技术为基础的新一代生物工程。
生命科学的第二次革命是基因组学。鉴于肯尼迪“向肿瘤宣战”计划的失败，Renato Dulbecco于1986年发表具有历史意义的《肿瘤研究的转折点：人类基因组测序》一文，提出“如果我们想更多地了解肿瘤，从现在起必须关注细胞的基因组”的科学假说，以及“从对人类细胞基因组测序入手”的研究策略，由此启动的人类基因组计划及其成功实施，标志着生命科学第二次革命的到来。这次革命的直接成果是对生命本质的认识从单个基因或单个分子功能层面，上升到了对整个生命体或生命过程整体认知的基因组层面；而对生命科学的研究体系而言，则是引入了除“实验-分析”之外的“数据”，以及与获取数据、分析数据和利用数据相关的一系列“生物信息技术”，并由此形成生物信息学、计算生物学乃至理论生物学等新兴学科。特别值得一提的是，20世纪90年代形成了综合(干)与实验(湿)两类数据，在系统科学“自上而下”分析理念指引下研究生物体和生命运动规律的系统生物学。
生命科学的第三次革命是会聚研究。世纪之交，利用基因元件，在工程学“自下而上”理念指导下，设计并构建基因线路(生物开关、振荡子以及自动调节的负反馈线路)获得成功，标志着工程科学与生命科学的融合，产生了合成生物学。2011年，美国麻省理工大学发布《第三次革命：生命科学、物理科学和工程学的会聚》；2014年，美国国家科学院发布《会聚：促进生命科学、自然科学、工程等领域的跨学科整合》报告。与前两次革命聚焦于技术与知识的颠覆性突破不同，“会聚”革命的核心，则是能力的提升，是人类自身智力、体力乃至整个社会能力的提升。以著名的NBIC来表述：如果认知科学家(Cogno)能够想到它，纳米科学家(Nano)就能够制造它，生物科学家(Bio)就能够使用它，信息科学家(Info)就能够监视和控制它。
赵国屏研究员简要回顾了中国科学家在生命科学发展史的三次革命中曾经作出的贡献。1956年举行的青岛遗传学会议为中国科学家日后迎接分子生物学革命奠定了基础。1958～1965年，中国科学院上海生化所和有机所以及北京大学的生物化学家与有机化学家，共同完成牛胰岛素全人工合成。这不仅是中国科学家在合成科学领域完成的一件领先全球的成果，对分子生物学革命的直接贡献，也体现了中国生命科学家有组织大科学计划的决心和能力。改革开放之后，我国于1992年启动水稻基因组工作。1993年，在谈家桢和吴旻先生支持下，国家自然科学基金委启动“中华民族基因组中若干位点基因结构与功能的研究”，该项目由强伯勤先生和和陈竺先生主持，标志着中国人类基因组研究的起步。中国人类基因组计划的启动不仅有力支撑了中国科学家及时参与了由发达国家启动的大科学计划，同时还保证了中国在生命科学的第二次革命中从“跟跑”步入了“并跑”的地位。
合成生物学带来全新思维和方法
赵国屏研究员说，对合成生物学内涵的理解至今依然是“见仁见智”，但是其核心应该是工程化的生命科学研究，即以创建新生命体系目标为导向的、“自下而上”的在工程学研究理念指导下的生命科学与生物技术研究；以及生命科学研究的工程化，即在生命科学研究中实施基于系统科学的计算与设计，基于合成科学的基因组与生物分子操作，基于计量科学的对生命元件到体系的检测与测试三位一体循环，提升优化的研究模式。
合成生物学以构建“工程化的生命”为目的，为生命科学研究带来了全新的思维、战略和方法，是相对于传统的“格物致知”方法学的一场革命。生命起源、生物进化(演化)、生物体复杂的结构-功能等生命科学前沿问题，有望在“建物致知”理念的引导下取得突破。合成生物学在“生命的工程化”理念指导下，正在颠覆传统的生物工程和代谢工程。在标准化元件模块的基础上，人工设计复杂系统并在人工底盘上实现可重复、可定量、可调控的合成构建。利用“建物致用”理念指引下发展起来的合成生物学技术，有望用于应对人类社会面临的各种挑战，并在医学、制药、化工、能源、材料、农业等领域都有着广阔的应用前景。, 百拇医药(潘锋)