合成生物學與國防安全 | 中國合成生物學2035發展戰略

合成生物學是在工程科學“自下而上”理念的指導下，以創建特定結構功能的工程化生命或實現生命過程的工程化爲導向，綜合系統、合成、定量、計算與理論科學的手段，以“設計— 構建—測試—學習”的迭代研究原理認識生命的理論架構與方法體系。

▲ 合成生物學“設計—構建—測試—學習”循環策略涉及的主要關鍵技術

合成生物學不僅以嶄新的思維方式和強大的創造力開啓了生命與非生命的對話，而且通過與數理科學的“定量概念”、工程科學的“設計概念”、合成科學的“合成認知概念”等理念和策略交叉融合，推動生物學向工程科學轉化。它將生命系統運動規律的發現認識過程和生物技術的發明創造過程， 成功建造於工程化的“設計—構建—測試—學習”的平臺之上，並迅速向社會生活和經濟生產的各個層面滲透。從發展趨勢看，合成生物學有可能爲改善人類健康，解決資源、能源、環境等重大問題提供全新的解決方案，爲現代工業、農業、醫藥等產業帶來跨越性乃至顛覆性發展的機遇。

▲ 合成生物學在各領域的應用

本文重點介紹“合成生物學技術是保障國家安全的重要科技支撐”。

當今，國際局勢日益複雜嚴峻，國防力量往往能夠反映出一個國家的工業和科技水平，最尖端的科技往往會被第一時間應用到國防領域，合成生物學在軍事科技領域也有着極大的應用潛力和廣闊的應用前景。

1. 合成生物學在國防領域的應用前景受到高度關注

與很多新興技術一樣，合成生物學在國防領域也展現了巨大的應用潛力，正成爲包括美國在內的世界主要大國競相發展的領域。

美國國防部在其2013 ～ 2017 年的科技發展“五年計劃”中提出包括合成生物學在內的未來重點關注的六大顛覆性基礎研究領域。顛覆性基礎研究領域是指對近期與未來美軍的戰略需求和軍事行動能夠產生長期、廣泛、深遠、重大影響的領 域。美國國防部高級研究計劃局（DARPA）高度重視合成生物學領域及其軍事應用，是美國在合成生物學領域最重要的資助機構。2011 年，DARPA 宣佈開展“生命鑄造廠”（Living Foundries）項目，旨在將標準化的生命元件組裝爲全新的工程微生物，再用於實現各種軍事應用。後面又相繼資助了生物控制（Biological Control）、安全基因（Safe Genes）、老化混凝土建築的仿生修復（Bio-inspired Restoration of Aged Concrete Edifices，BRACE）等生物系統的工程化應用項目。

2016 年，美國陸軍發佈《2016—2045 年新興科技趨勢—領先預測綜合報告》《2016—2045 年新興科技趨勢報告》，明確了包括“合成生物科技”在內的20 項最值得關注的科技及發展趨勢，並認爲“合成生物科技的進步，將促進人類跨入生物科技的新時代”。2017 年，美國國防科學委員會成立生物學特別工作組，目標是探索和闡明現代、新興生物科學進展的機遇和潛在風險，增強美國國家安全和防禦能力。其重點關注現代生物科學發展最迅速的領域，特別是有可能爲國防創新提供新機遇的基礎技術領域，或被對手掌握威脅美國國家安全的技術領域。2020 年6 月，美國工程生物學研究聯盟（EBRC）針對工程生物學在國防領域的應用和需求，發佈《通過工程生物學實現國防應用：技術路線圖》（Enabling Defense Applications through Engineering Biology: A Technical Roadmap）報告，報告提出了工程生物學在國防方面的四大應用領域，主要包括：生產相關應用的生物製品和材料、構建工程生物系統、感知和響應人類與環境的相關信號、改善和增強人類與相關係統的性能等。同時，該路線圖認爲，材料、傳感器、人體性能和保護的創新應用成果能爲部隊環境和運行帶來變革性影響。這些應用可以通過工程生物學先進的製造能力、規模的擴大和實施來實現、。

▲ 工程生物學在國防領域的應用

英國國防部在2019 年9 月發佈的《國防科技框架》，對推動英國國防現代化及軍事能力變革的重要技術進行戰略性評估，重點關注先進材料、人工智能等七大技術羣，並闡述其最具潛能的軍事應用領域，以支撐英國國防部“技術引領的現代化”戰略，積極推動先進新技術的前沿軍事應用。在先進材料領域，重點發展納米技術、先進製造材料、合成生物學的相關應用。英國國防部防務企業中心（Centre for Defence Enterprise，CDE）還通過徵集合成生物學新材料競爭項目，旨在利用合成生物學方法，生產能解決國防問題的新型材料。新材料的應用將增強防衛和安全性，其優先研究領域主要包括：①防護應用，如新裝甲材料；②自愈材料；③增強耐腐蝕性；④新型黏合劑等。

2. 合成生物學在國防軍事領域的應用

合成生物學技術在軍事國防安全領域的應用主要體現在以下幾個方面：

一是構建新的代謝系統，實現特殊物質的生物合成；

二是構建新的生物信號系統，滿足高效傳感和探測的需求；

三是構建新的優勢物種，調節、控制微生物羣落，實現對戰場環境有害因素的治理，以及對有利因素的最大化利用。

目前，合成生物學正在加速滲透到國防安全和武器裝備研製中，尤其在軍用醫藥、軍用材料、軍用能源和軍用生物傳感等領域，展現巨大的應用潛力。

一是用於軍用醫藥研發，利用合成生物學技術，開發生產更有效的疫苗、研製新型軍隊特需藥品等，將極大促進包括軍事醫學在內的生物醫學的發展。

例如，DARPA 與合成生物學公司銀杏生物（Ginkgo Bioworks）合作開發生產的益生菌，可幫助士兵抵禦疾病；DARPA 開展的“生命鑄造廠”“加速分子發現”等系列項目，以實現士兵身體損傷快速修復、戰場藥物快速合成等目的。

▲ 合成生物學與疫苗設計

二是用於設計和改造軍用材料，發展基於人工生物體系的高強度特殊性能的材料，對微生物進行定向改造，使其具有特定功能，以滿足軍事需要。

例如，美國能源部高級研究計劃局（Advanced Research Projects Agency- Energy，ARPA-E）支持科羅拉多大學和普林斯頓大學開展“利用創新、節能、合成技術實現聚合物水泥”項目，研發的“生物磚”在俄亥俄州賴特- 帕特森空軍基地建造了一個232 m² 的跑道原型；DARPA 最新啓動的“礁防禦”（Reefense）項目，致力於開發能自我修復的結構及材料，以減輕沿海洪水、侵蝕和風暴對海岸線的破壞。

三是用於開發軍用新能源，未來武器裝備不再需要大量的石油能源，只需攜帶少量的合成生物體，就可以將空氣中的CO₂ 轉化爲具有特定用途的高能化學品和高能燃料，用於車輛、軍艦、飛機燃料的供應，將極大提高部隊的機動性，擴大作戰範圍。

例如，美海軍空戰中心武器分部（Naval Air Warfare Center Weapons Division，NAWCWD）與英國曼徹斯特大學合作， 開展在海水中生物合成高密度導彈燃料的研究，加速從實驗室到戰場應用的轉化。

四是用於軍用生物傳感器，基於合成生物學分子機器的設計和合成，發展基於生物活性物質與信號轉換電子器件的特殊生物傳感器，用於有毒有害物質的探測、戰場環境危害因子的檢測和監測、戰場環境修復，以及士兵健康狀況監測、心理及生理評估等軍用領域。

美國俄亥俄州空軍研究室在大腸桿菌中設計和構建的一種新型核糖開關，可實現對2,4- 二硝基甲苯（DNT） 的特異性檢測，以減少探測帶來的人員傷亡；DARPA 資助的生物能力測量（Measuring Biological Aptitude，MBA）項目，通過支持通用電氣研發中心、勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室和佛羅里達大學人機認知研究所，擬開發一種可穿戴的微針系統，對執行任務的官兵進行實時分子靶標監測，以提高作戰人員的選拔、訓練、任務調整和任務後恢復等軍事效能。

本文摘編自《中國合成生物學2035發展戰略》[“中國學科及前沿領域發展戰略研究(2021-2035)”項目組編. 北京 :科學出版社，2023.5]一書“第二章 合成生物學的科學意義與戰略價值”，有刪減修改，標題爲編者所加。

(中國學科及前沿領域 2035 發展戰略從書)

ISBN978-7-03-075564-3

責任編輯:牛 玲 陳 倩 趙小林

合成生物學因其所具有的革命式、顛覆式創新潛力，巳經成爲世界各國必爭的科技戰略高地，正在引發新一輪科技與產業國際競爭。《中國合成生物學2035發展戰略》力求綜合性回顧合成生物學的發展歷程並探討其學科定義，界定學科內涵；多方位反映合成生物學的發展現狀及其促進“會聚”研究的科學意義與提升人類“能力”的戰略價值；深人分析該新興學科自21世紀初創立到今天逐步釐清的關鍵科學問題、技術瓶頸及社會核心需求，尋求升級發展所面臨的嚴峻挑戰，以及抓住“大數據+人工智能”和“互聯網+”開源共享平臺蓬勃發展的機遇，實現突破，在科技、經濟、政治、社會一併進人“百年未有之大變局”的背景下，“不負韶華”承擔歷史使命的戰略思考與策略佈局；爲進一步強化合成生物技術戰略科技工程力量，推動我國合成生物學高質量發展，推動合成生物學及會聚”研究的生態建設，高效率服務科技與社會發展，提供政策建議的參考。

（本文編輯：劉四旦）

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