合成生物学的勇敢新世界

报告 2024 勇敢的新世界合成生物学 重大影响、重大挑战 “我不能创造的东西，我不明白。 ——理查德·费曼，理论物理学家 蓝移/报告005 合成生物学的勇敢新世界 重大影响、重大挑战 Authors AlbertMeige博士，蓝移主任，ArthurD.LittleRickEagar，名誉合伙人，ArthurD.Little博士 UlricaSehlstedt，执行合伙人，ArthurD.Little博士Franziska Thomas，合伙人，ArthurD.Little卡米拉·汉娜，蓝移项目经理，亚瑟·D·利特尔SimonNorman,经理,ArthurDLittleMinJi Kim,经理,ArthurDLittleClaudiaNichterlein，经理，ArthurD.LittleNickBloser，业务分析师，ArthurD.Little 艺术家在驻地 C-LAB 哲学家-residence DarianMeacham，马斯特里赫特大学 3 内容-内容-CT - CONTENT- 1.什么是合成生物学2.科学与技术 景观24 插曲#1:进化美学-交叉艺术与科学的语言细胞 36 3.景观 44 插曲#2：哲学&围绕SynBio66的道德问题 4. 结论：公司附录1：示例SynBio工具和技术玩家80附录2：示例SynBio应用程序玩家 86 5 蓝移/报告005 执行摘要 虽然20世纪在许多方面都是化学工业化的世纪，但21世纪有望在生物学领域进行类似的革命。革命的基础始于20世纪50年代DNA的发现，并扩展到有助于理解、分析和操纵我们的遗传密码以及蛋白质，最终是人类生物学基础并延伸到我们周围宇宙的细胞和器官的核心技术。这些发现导致了许多突破性的发现，以及理解、检测和治疗疾病的潜力。我们也越来越多地看到在生命科学之外的广泛领域中使用的生物系统。 近年来，讨论越来越多地集中在合成生物学或SynBio上，该术语是在1980年代创造的，当时科学家BarbaraHobom用它来描述使用重组DNA技术进行基因工程改造的细菌。此后，该术语发生了显着变化，被更广泛地使用，有时甚至引起争议。 虽然SynBio已经增加了我们对生物系统的理解，并导致了新的工具用于它们的操作和诊断的可用性，但计算能力和人工智能（AI）等工具的开发的最新进展 和机器学习（ML）正在导致进一步的快速加速 6 这些影响有可能在许多行业领域产生颠覆性影响——不仅仅是医疗保健和生命科学、食品和农业，还有工业、化工、制造业、消费品、能源和IT。 SynBio在其潜在应用的广度上是独一无二的。 随着跨多个学科和生态系统的影响越来越大，人们越来越需要围绕SyBio对社会的影响进行交流和批判性论述。虽然SyBio提供了生产牛奶或肉类等不含动物及其相关环境影响的食品的潜力，但我们需要更好的监管来控制质量和安全，并需要了解该领域的全球和经济影响。最近的例子，例如HeLa细胞案以及围绕黄金大米或我们所谓的“牛奶”的辩论，表明我们需要更好地解决一些基本问题：谁拥有基因或细胞？作为一个社会，我们愿意接受什么样的变化水平和速度？这些新技术的风险是什么？尽管基因和细胞疗法为治愈严重的衰弱疾病提供了机会，例如肌营养不良或血友病，. 例如，创新已经能够合成人类胚胎。这些对我们未来的发展有什么影响？ 基于广泛的ArthrD.在SyBio技术和应用的28位全球专家的调查和访谈支持下 ，本报告旨在全面概述SyBio的现状和前景。包括它的组成、技术发展的现状 、现有的发展市场和关键参与者的格局、当前和未来的应用，以及企业应该如何为未来做好准备。总的来说，我们得出的结论是：。 -SynBio是一个非常多样化的领域。SynBio在 其潜在应用的广度-从医疗保健到食品、制造、工业加工，甚至数 字产业。其技术的成熟度范围从胚胎到完全商业化。在考虑其前景，重要的是采取足够精细的方法。 -SynBio技术可能会在20年的时间框架内产生巨大的转型影响。预测性等技术 基因工程，复杂生物的DNA合成，基于DNA的存储和AI驱动的应用可以改变我们的行业，我们对生命系统的工程能力，以及我们如何应对气候变化 。 蓝移/报告005 7 在许多SynBio应用程序中，开发已经进行了数十年。 -许多SynBio应用程序都准备增长。SynBio的预测增长率为到2030 年复合年增长率>20%总的来说, 尤其是在医疗保健和生命科学以及食品和农业方面。无论是在技术推动(增加投资、降低技术成本、不断增长的生态系统)还是市场拉动(尤其是可持续性、医疗保健需求和制造效率)方面，增长动力都很强劲。预计当 前市场将从周围增长2023年为150亿美元，到2030年为700亿美元 。也许更重要的是，如果目前开发的SynBio技术成功成熟，SynBio - 可能会产生巨大的影响，破坏包括15%-20%未来几十年全球几个领域的产出，包括： 医疗保健和生命科学。广泛的应用领域可以实现个性化和潜在的治愈性治疗 以及在诊断和药物设计和开发方面的改进。在未来，我们期望更复杂的治疗方法，更好地保护免受更多疾病的侵害，以及在退行性疾病和遗传疾病方面的新应用。 -粮食和农业。应用广泛，从作物驯化到合成食品和 生物修复，预计未来几年将在所有这些领域取得进一步发展。 -工业和消费品。应用包括新型/特种产品，原材料替代，可持续性 ， - 和过程性能改进。 能源。应用包括生物燃料，生物电，生物电池，修复和工艺改进 传统燃料。 -IT和技术部门。基于DNA的数据存储是最有前途的研究领域 ，但仍然只是在证明- 概念（PoC）阶段。 -挑战和障碍仍然很高，有几个关键的不确定性。在许多SynBio应用程序中，开发 几十年来一直在持续，通常更多的是由技术推动而不是市场拉动驱动。关键的不确定性包括技能/能力差距，实现工具集的标准化和知识库的系统化，不利的公众看法，道德/生物安全问题，资金和投资的可得性，难以扩大生产水平以及与传统技术相比的经济性差，这可能会阻碍市场增长。 蓝移/报告005 8 -公司应确保适当的SynBio战略到位。鉴于强大的驱动力，加速技术 发展，以及潜在的巨大影响，公司应该为突破带来的指数增长做好准备 。鉴于其多样性，公司需要仔细考虑哪些领域与其业务相关，并进行现实的基于市场的评估。关键步骤包括： 公司应该做好准备 突破可能导致的指数增长。 1.确定潜在的机会。指出当前或设想的未来SynBio技术可能中断或创造新机会的业务领域。考虑SynBio如何增强当前性能，启用新产品或流程，增强可持续性和/或提高效率或定制。 2.评估吸引力并制定策略。采取市场主导的方法来评估潜在的业务案例 ，并制定基于情景的战略，同时考虑到需要克服的障碍和仍然存在的关键不确定性。 3.发展能力。了解在哪里以及如何在生态系统中汇集所需的功能。考虑到SynBio的多学科性质和专业技能的短缺，这一点尤其重要。 4.保持生态系统的存在。至关重要的是，参与监管和道德话语 ，并在应用程序成为指数时迅速做出反应。 蓝移/报告005 9 蓝移/报告005 序言 我是技术的粉丝。但与此同时，我非常担心它的负外部性。对我们的孩子 ，社会，机构或企业的负外部性。 10 蓝移/报告005 这种担心并不新鲜。事实上，我特别记得在青少年时期读高中时的AldousHuxley的《勇敢的新世界》。在这部小说中，Huxley呈现了一个看似美妙的世界，极权主义和技术的混合导致了一种极其 稳定的全球社会，没有战争或冲突。从表面上看，这是所有可能世界中最好的。但是，个人自由和自由意志几乎完全消失了。那是我对技术矛盾的介绍。 在与蓝移团队一起准备这份关于合成生物学的报告时，赫x利的《勇敢的新世界》像转基因的“玛德琳·德·普鲁斯特”一样回到了我的身边，我不禁想到了所有的反乌托邦情景。为什么？因为SyBio包含了许多潜在的威胁和负面影响，这些威胁和负面影响可能源于其滥用或意外后果：致命的病原体 ，基因驱动（可用于在整个人群中传播特定的基因套件）技术，环境和健康风险，或DIY生物学运动（对SyBio实验感兴趣的公民科学家运动，这引起了人们对滥用易于获得和低成本技术的担忧。 像CRISPR[定义为集群规则间隔短回文重复]由个人与该领域的先验知识很少）。 但与此同时，我感到非常惊讶的是，大多数工业部门都可以利用SynBio-而不仅仅是生命科学。在本报告中，我们主要关注SynBio将给商业，社会和人类带来的积极影响。 在深入研究之前，我想与您分享另一个非常有趣的字谜： “合成生物学”转变为 “被山达基击中” 像往常一样，字谜以神秘的方式移动。 —AlbertMeige博士 11 1 12 CHAPTER 13 什么是 合成生物学 &为什么重要？ 蓝移/报告005 1什么是合成生物学 ，为什么它很重要 ？ 人类长期以来一直质疑生命的本质，通过宗教，哲学，艺术和科学无休止地探索这个话题。自20世纪中叶和DNA的发现以来，SynBio领域为一些“大问题”提供了见解 （见图1）。 14 蓝移/报告005 例如，SynBio已经表明，我们可以合成地在生物体中创造新的和不同的功能，并利用活细胞来执行非生物任务。2023年，以色列魏茨曼科学研究所的研究人员声称已经生长出一个非常类似于14天人类胚胎的实体，而不使用精子，卵子或子宫。1 定义SynBio 如今，SynBio的定义各不相同，但大多数都集中在工程生物系统的基本概念上。 -“新生物部件、装置的设计和建造， 和系统，以及为有用目的重新设计现有的自然生物系统“(自然) -“涉及通过将生物体设计为具有新能力来为有用目的重新设计生物体的科学领域”(美国国家 HumanGenomeResearchInstitute) -“使用现代技术和计算来设计生物学来解决与环境和人类相关的问题健康”（美国加州大学圣地亚哥分校[UCSD]合成生物学研究所） -“多学科的科学领域，专注于生命系统和有机体，它应用工程原理来开发 新的生物部件、设备和系统或重新设计自然界中的现有系统“(维基百科) 图1-SynBio如何帮助回答有关生活的基本问题 QUESTION Synbio开发了什么 示例 生命可以合成吗？我们应该把生物等同于它们的功能吗？活着一定意味着身体形态吗？生命超过其组成部分的总和吗？ 注意：（1）仿生是模拟自然系统的形成，结构，功能或过程的人工系统的研究和设计来源：ArthurD.Little 1加拉格尔，詹姆斯。“科学家在没有精子或卵子的情况下培养人类胚胎的完整模型。”BBC新闻，2023年9 月6日。 15 蓝移/报告005 2023年蓝移全球专家调查2作为本报告的一部分，我们探索了SynBio与相关领域的区别。它发现专家通常将融合，工程原理和系统思维确定为关键特征（见图2）。 虽然意见与这三个方面大致一致，但专家们并不完全同意源材料是否必须是活生物体，或者是否可以合成它们。为了这项研究的目的及其对应用和影响的最终关注，我们得出结论，从以下方面定义该领域更有用 它生产什么以及它是如何工作的，而不是它的原材料的性质。 因此，我们提出了SynBio的实用定义，体现了以下主要特征：“工程，修改或创造新的生活或混合3用于有用目的的生物系统。“ 支持此定义，SynBio涉及三个功能： 1.多学科的融合 -连接生命和物理科学 -在自然发生和人造世界之间的边界 -生活或混合系统 -仿生工程方法也可以是SynBio工具箱的一部分，尽管模仿生物系统是 本身不是SynBio的目标 图2-SynBio涵盖的专家视图 QUESTION 用你的话说，什么是合成生物学？它与相关领域有什么区别？ 多学科和基本模糊线的收敛性 工程原理：应用，超越分析 系统思维和模块化： 复杂系统设计 “多学科如何进行调查新的生命 形式” “灵感来自大自然[where]所有问题的答案在自然