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对两用生物技术发展现状与生物安全思考_宋馨宇(全文完整)

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对两用生物技术发展现状与生物安全思考_宋馨宇(全文完整)

 

 基金项目:国家自然科学基金( 31770100 、 91751102 )通信作者:张卫文Corres p onding author.ZHANG Weiwen , E - mail :

 wwzhan g 8@t j u.edu.cndoi :

 10.3969 / j .issn.1673 - 6184.2018.06.001·特约专稿·对两用生物技术发展现状与生物安全的思考宋馨宇 1 ,2 , 3 , 4 ,刁进进 2 , 3 , 4 ,张卫文 1 , 2 , 3 , 41. 天津大学生物安全战略研究中心,天津 300072 ; 2. 天津大学化工学院合成微生物学实验室,天津 300072 ;3. 系统生物工程教育部重点实验室,天津 300072 ; 4. 化学化工协同创新中心,天津 300072摘   要:生命科技的蓬勃发展与全球化步伐的持续加速,为人类社会带来了诸多福祉。然而,生物技术的两用特征和传染病严峻的流行趋势带来了一系列生物安全隐患,引发了世界性的生物安全问题。随着国际形势的日趋复杂,生物安全这一非传统安全问题已成为国家安全体系的重要组成部分。本文通过分析典型两用生物技术的潜在威胁及新发突发传染病的发展趋势,指出我国生物安全领域面临的挑战性问题。同时结合研究发达国家在战略、政策与技术方面应对生物安全的重要举措,从战略布局、科技创新、团队建设、政策支持等方面为我国在两用生物技术的生物安全领域的发展提出建议。关键词:两用生物技术;新发传染病;生物安全问题;战略布局Recent progress on dual - use biotechnology  and their biosafetyimplications SONG Xin y u1 , 2 , 3 , 4 ,DIAO Jin j in2 , 3 , 4 ,ZHANG Weiwen1 , 2 , 3 , 41 . Center   f or   Biosa f et y   Research   and   Strate gy , Tian j in   Universit y , Tian j in   300072 , China ; 2 . Laborator y   o fS y nthetic   Microbiolo gy , School   o f   Chemical   En g ineerin g   &Technolo gy , Tian j in   Universit y , Tian j in   300072 ,China ; 3 . Ke y   Laborator y   o f   S y stems   Bioen g ineerin g , Ministr y   o f   Education   o f   China , Tian j in   300072 ,China ; 4 . Collaborative   Innovation   Center   o f   Chemical   Science   &En g ineerin g , Tian j in   300072 , ChinaAbstract :

 Ra p id develo p ment of life sciences and the acceleratin g g lobalization p rocess have benefited humansociety si g nificantl y .However , due to the dual - use characteristics of biotechnolo gy  and the a gg ravation ofinfectious diseases , a series of p otential biosafety concerns are emer g in g  worldwide.Alon g  with theincreasing com p lexity of the international situation , biosafet y , one of the so - called non - traditional securit yissues , has become a key com p onent of the national security s y stem.This p a p er aims at dressing thechallen g es in the field of biosafety in China by anal y zing  the potential threats of t yp ical dual - usebiotechnolo gy  and the p revailing trends of the emer g ing infectious diseases. Meanwhile , considerin gsi g nificant attention and actions towards the biosafety issues , in terms of strate gy , p olicy and technolo gy ,taken by the develo p ed countries , several recommendations from the as p ects of national strate gic plannin g ,scientific and technolo g ical innovation , team building  and policy su pp ort are p ro p osed , which will bevaluable to the health and safe develo p ment of the dual - use biotechnolo gy  in the future.Key words :

 Dual - use biotechnolo gy ; Emer g ing infectious disease ; Biosafety issue ; Strate gic plannin g·3 2 3·微生物与感染   Journal   o f   Microbes   and   In f ections , December 25 , 2018 , 13 ( 6 ):

 323 - 329 htt p :∥jmi.fudan.edu.cn

    近年来,以合成生物学和基因编辑为代表的两用生物技术在世界范围内蓬勃发展,人工设计的深度和广度不断突破,实现了病毒、原核生物和单细胞真核生物的基因组合成。然而,生命科学领域既可用于有益目的研究,也容易被误用或蓄意滥用造成危害,合成生物学和基因编辑就是典型的两用生物技术。随着技术门槛的降低,实验操作逐渐便利,相关成本愈加低廉,两用生物技术已经对世界各国的生物安全与国家安全防御体系带来了巨大挑战。最近,合成生物学和基因编辑被美国相关部门列为“大规模杀伤性武器”,许多国家也已将生物安全提升至国家战略层面,通过加强战略部署、强化科技创新和完善政策法规等手段增强国家生物安全防御能力。本文通过对两用生物技术的潜在威胁,以及发达国家近期在两用生物技术领域的发展现状和战略布局进行分析,同时结合我国在生物安全领域的具体国情提出相关建议,以推动我国生物安全领域的健康发展,保障国家安全。1  国内外生物安全形势分析1.1  全球两用生物技术持续创新迅猛发展近年来,生命科学领域孕育了一批具有重大产业变革前景的颠覆性技术突破,其中以新兴技术合成生物学和基因组编辑尤为突出。

 2002年, Cello等通过组装正链和负链的极性寡核苷酸首次实现脊髓灰质炎病毒的人工合成 [1 ] ,证实了利用生化手段体外合成感染制剂的可行性。

 2010 年, Gibson 等利用数字化基因组信息实现了原生丝状支原体基因组的人工合成,并将其移植到山羊支原体细胞,获得第1个人工合成基因组的新的丝状支原体 [2 ] 。

 2015年,“人类基因组编写计划”发起,生命科学工作者开始探索合成更为复杂的真核生物基因组 [3 ] 。

 2017年,研究人员国际合作完成了酵母2号、5号、 6号、10号和12号5条染色体的从头设计与全合成,并获得与普通酵母高度一致的人工合成酵母,突破了真核生物基因组生物合成技术的难点 [4 - 6 ] 。基因组编辑技术自出现以来一直备受关注。

 Cas9核酸酶相比于其他核酸酶具有更加简便和高效的优势,因此 CRISPR / Cas系统迅速发展成为最流行和最强大的基因编辑工具 [7 - 9 ] 。

 Cong 等设计了两种不同的Ⅱ 型 CRISPR / Cas系统,并证明 Cas9核酸酶可被短 RNA导向,以诱导人和小鼠细胞内源基因组位点的精确切割 [10 ] 。几乎同时,Mali 等也在人类细胞中成功应用了 Ⅱ 型 CRISPR / Cas 系统 [11 ] 。此外,CRISPR / Cas系统在斑马鱼和果蝇中也得到成熟应用 [12 - 13 ] 。

 Feng 等利用 CaMV 35S启动子驱动 Cas9基因,并分别利用拟南芥中的 AtU6 - 26启动子和水稻中 的 OsU6 - 2 启 动 子 驱 动 小 向 导 RNA (smallg uide RNA , s g RNA ),实现了 CRISPR/ Cas作为分子剪刀在拟南芥和水稻基因组的特定位点进行剪切 [14 ] 。Jian g 等也报道了在拟南芥、烟草及经济作物水稻和高粱中成功运用 CRISPR / Cas系统的研究 [15 ] 。

 DiCarlo等在酿酒酵母中使用组成型 Cas9和瞬时向导 RNA ( g uide RNA , g RNA )表达盒,使单链和双链寡核苷酸供体的同源重组率分别增加了5倍和130倍,在组成型表达 Cas9的细胞中共转化g RNA质粒和供体 DNA ,产生接近100%的供体DNA重组频率 [16 ] 。合成生物和基因编辑技术的快速发展使得生物体的人工合成与改造变得越来越容易,通过理性设计和高效的 DNA 合成组装技术赋予合成生命体各种崭新的生物学功能,如青蒿素、鸦片等植物天然成分在微生物中的生物合成 [17 - 18 ] 、肿瘤的人工 T 细胞治疗 [19 ] 、智能生物发酵控制 [ 20 ],甚至通过人工设计合成全基因组以获得人造生命 [21 ] 。有学者预计在未来 5~10 年,合成生物学和基因编辑技术将在国家安全、人口与健康、农业、工业、环境和生物安全领域产生深远的影响,并催生战略新兴产业 [22 ] 。1.2  大规模流行性疾病已突破传统的物理界限新发和突发传染病多为病毒病,危害程度高,且流行趋势呈现全球性,为防控和检测工作带来了极大难度,严重危害着人类健康和社会发展 [23 - 24 ] 。近年来,全球公共卫生事业不断进步,在病原微生物的管理、疫情的应急处置、病原体的快速识别与检测等领域的政策法规和技术研究都在不断完善 [25 - 26 ] 。此外,利用法律法规对病原体的流通、研究进行管控,建立防御体系,减少了病原体传播和危害的风险。然而,在两用生物技术快速发展的合成生物时代,传染病引发的安全问题已不再受原材料、设备、空间等传统物理因素的限制。简单地说,结合公开发布的遗传信息,利用合成生物和基因组编辑技术,在不需要太多花费的情况下,就能够人工制造出任何期待获得的病毒,甚至制造出具有巨大杀伤力和传播效应的生物武器。最近备受热议的一项研究中,已灭绝的天花病毒“复活”事件就是很好的印证。2018年1月,加拿大阿尔伯塔大学病毒学家 DavidEvans 发表研究报道,通过订购遗传片段,人工合成了马痘病毒 [27 ] 。马痘病毒和天花病毒同属具有高·4 2 3·微生物与感染   Journal   of   Microbes   and   In f ections , December 25 , 2018 , 13 ( 6 ):

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 度同源性的正痘病毒家族, David Evans利用新兴生物技术手段获得了灭绝病毒的人工合成版本。据报道,这 项 研 究 仅 用 6 个 月,消 耗 10 万 美 元 经费 [27 ] 。除了技术方面的主观能动性,研究配套的仪器设备、试剂耗材、数据信息化及研究成本等瓶颈的突破,也为传染病相关研究提供了极大便利。如基因测序的成本从1990年的每个碱基1美元降到2010年每百万个碱基1美元的水平;基因合成的成本在2001年为每个碱基12美元,到2010年下降到每个碱基40美分。利用两用生物技术,结合传染病的特殊性质,导致生物安全形势更加严峻。2  引发生物安全问题的主要因素分析2.1  生命科技持续创新为技术误用和蓄意滥用提供了可能   生命科学领域关键技术瓶颈的突破,导致专业化知识和技术平台门槛日益降低,容易造成技术的误用。传染病领域的一些研究具备典型的两用特征,例如研制疫苗过程中,对病毒进行扩增、改造,甚至从头合成,可能无意中制造出具备强毒性的新型威胁 因 子。最 近 热 议 的 人 工 合 成 马 痘 病 毒 的 研究 [27 ] ,为开发天花疫苗或基因疗法具有重要作用,但也可能再次引发天花疫情。在技术进步的同时,还涌现出大量生物技术科研服务公司提供专业化技术服务 [28 ] ,加之基因遗传信息获取的便捷性,可为蓄意制造生物恐怖提供机遇。通过免费使用的生物信息数据库可查到高致病性基因的序列,甚至如何提高其致病性和传播能力的方法的学术文献也可轻松获取。随着科技信息加速传播,国际遗传工程机器 大 赛 ( International Genetically  En gineeredMachine Com p etition , iGEM )规模逐渐扩大,使得两用生物技术的普及率显著提高,寻找和培养具有相关专业知识和技术的人员变得非常容易。生物技术的两用性存在引发生物恐怖活动或生物战争的风险,再度引起了各界对生物技术两用性研究的广泛担忧。2.2  生物威胁全球化蔓延成为生物安全管控的巨大挑战   传染病带来的威胁在不断蔓延,直接影响人口、健康、安全和繁荣。如今城市化、栖息地侵占、旅游不断增加和加快,加之卫生系统薄弱,增加了传染病迅速传播的能力。抗菌药物的耐药性、新兴传染病及曾经受地理位置限制的传染病的复发和传播给有效措施带来巨大挑战,可能造成大范围暴发难以控制。此外,生物技术的两用性特征也为人工恶意合成高致病性、强传染性的病原体提供了便利条件。采用合成生物学、基因编辑等新型技术对病原体进行研究的数量逐年增加,此类研究中大量涉及来自病毒、致病性细菌和真菌的强毒力、强传染的基因元件和增强其致病性的方法 [29 - 30 ] 。自2002年对具有功能的流感病毒实现合成开始,各种原核和真核基因组在近10年来已被陆续合成。更令人震撼的是,2016年美国学者开始积极策划极具争议的人染色体的合成 [31 ] 。这类研究在揭示传染病机制的同时,也表现出明显的两用性特征。2.3  前沿科技领域融合创新加剧生物安全隐患自2016年 Al p haGo引发全球对人工智能的关注,人工智能浪潮持续高涨并已拓展至生物科学领域,如利用人工智能技术研发自动化高通量测序设备、机器人操作平台等,颠覆了生命科研工作者的传统认知 [32 - 33 ] 。生命科学手段与生物技术在信息网络、生物医药、清洁能源、新材料与先进制造等领域不断创新、交叉与融合,使生物技术呈现向个体化、精准化迈进的趋势,催生了新型生物安全危机 [34 ] 。若基因信息和病原菌的遗传信息被恐怖分子、生物黑客谬用或滥用,可研制针对特定人类群体、特定种族或人种的精准基因组武器,甚至重新合成毒性更高、传染性更强的新型生物。事实上,利用网络技术威胁生物安全的能力已经形成,并实现了危害目标。2017年8月,美国华盛顿大学研究人员通过在基因微粒中植入恶意代码,将计算机命令转化成 DNA测序数据,在计算机处理测序数据时获得计算机的完全控制权,成功制造了全球首例利用基因攻击计算机软件的事件 [35 ] 。相关研究人员称,利用动过手脚的血液或唾液样本入侵研究机构的计算机设备,窃取警方法医实验室信息或感染领域科研工作者的数据库文件,对计算机黑客来说将不再困难 [35 ] 。3  发达国家在两用生物技术领域的战略布局3.1  生物安全问题在发达国家已上升至国家战略层面   自2001年美国出现“炭疽邮件”事件,生物安全问题成为全球关注焦点,美国迅速将其纳入国家安全战略。小布什时期,美国政府发布《国家安全战略报告》,确立“打击恐怖主义和防止大规模毁灭性武器的扩散”为美国国家安全最主要的任务,先后出台了《抗击大规模杀伤性武器的国家战略》《21 世纪生物防御》等多 个 涉 及生 物安全 的 国 家 战 略,并 于·5 2 3·宋馨宇,等:对两用生物技术发展现状与生物安全的思考

 2004年将“生物盾牌计划”正式纳入法律 [36 ] 。奥巴马时期发布了《应对生物威胁的国家战略》,重点提出“对防止生物技术谬用要予以高度重视,必须采取行动减少滥用的风险,以确保生命科学的进步,惠及所有国家的人民”[ 37 ] 。2017年12月,特朗普上任后公布的第1份国家安全战略报告中,着重强调要确保美国边境和领土安全,必须“防范大规模毁灭性武器”“打击生物恐怖及大流行威胁”;强调为了保持竞争优势和繁荣安定,必须“加大力度推行对安全至关重要的新兴技术的大胆创新”[ 38 ] 。2018年9月,特朗普签署上台后首份针对生物安全制定的国家政策《国家生物防御战略》,这是系统应对各类生物安全威胁的战略性文件。此外,德国也将传染病定性为国家安全威胁;英国、澳大利亚等国也分别将安全、国防等部门纳入公共卫生体系 [39 ] 。这些足以证明生物安全在国家战略部署中的重要地位,同时体现了发达国家对生物安全防御的高度定位。3.2  持续加大两用生物技术相关研究领域的投入发达国家高度关切生物安全问题,美国政府尤为突出,在推动生物科技发展的同时,在生物安全领域也部署了多项重大研究计划。

 2017 年 12 月,美国国立卫生研究院( National Institutes of Health ,NIH )宣布解除对致命性有机体进行试验的禁令,再次允许科学家制造新型致命病毒 [40 ] 。

 2018年1月,NIH 宣布在6年内为“体细胞基因组编辑”计划投入1.9亿美元,开发安全有效的人类基因组编辑工具 [41 ] 。这些计划极大地增加了新型生物威胁有意或无意泄露、两用技术误用或滥用的风险。

 2017 年2 月— 2018 年 1 月不足一年的时间里,美国国防高级 研 究 计 划 局 ( Defense Advanced ResearchPro j ect A g enc y , DARPA )相继启动“大流行预防平台”和“预防新兴致病威胁”项目,致力于从源头追踪新兴病 毒 性 传 染 病,支 持 军 事 准 备 活 动。近 期,DARPA 宣布将在今后4年内为“安全基因”项目投资6 500万美元,避免基因编辑技术的两用性风险 [42 ] 。为了降低由于蓄意或意外滥用前沿两用生物技 术 带 来 的 风 险,美 国 情 报 高 级 研 究 计 划 局(Intelli g ence Advanced Research Pro j ects Activit y ,IARPA )启动“威胁的功能基因组和计算评估”项目,用以防范细菌、病毒或生物毒素来源的生物威胁 [43 ] ;美 国 国 防 威 胁 降 低 局 (Defense ThreatReduction A g enc y , DTRA )投资1.7亿美元支持军工百强 Leidos 公司推进合作性生物参与计划和威胁降低计划,确保军队在生物威胁环境中顺利完成军事任务 [44 ] 。3.3  两...

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