对两用生物技术发展现状与生物安全的思考

宋馨宇，刁进进，张卫文

1. 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

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(small guide RNA，sgRNA)，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]。Jiang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(guide RNA，gRNA)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gRNA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David Evans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 Engineered Machine Competition，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AlphaGo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 Research Project Agency，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(Intelligence Advanced Research Projects Activity，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 Threat Reduction Agency，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 两用生物技术研究所需的研发支撑体系日趋完善

欧美等西方发达国家在生物安全领域的基础设施具有雄厚的支撑储备，为生物安全领域研究提供了基础保障。首先，高等级生物安全实验室建设体系完善且分布广泛。生物安全防护三级(P3)实验室在欧洲各国家均有不同规模的建设，英国、荷兰、瑞士、德国、瑞典、比利时等国建设的P3实验室已超过20个，其中德国的P3实验室数量高达106个；P4实验室在欧洲的分布也非常广泛，荷兰、捷克、英国、瑞士、匈牙利、德国、瑞典、西班牙、法国、意大利、挪威、丹麦均建有P4实验室，数量以英国和德国居多[45]。美国自2001年开始，建设的高等级生物安全实验室逐渐增多。至2011年，美国本土已有8个P4实验室投入使用，还有6个P4实验室在筹建过程中[45]。再者，发达国家拥有世界领先的生物资源。发达国家在生物信息学研究方面起步较早，通过成立特定的国家级研究机构，专门负责开发并维护数据库和信息库等信息资源。如1984年，日本国家遗传研究所开发建立的核酸数据库DDBJ(DNA Data Bank of Japan)；1988年，美国国家卫生研究院建立的综合数据库国家生物技术信息中心 NCBI(National Center for Biotechnology Information)；1994年，欧洲生物信息研究所成立的生物信息学数 据库EMBL(European Molecular Biology Laboratory)等。如今，DDBJ、NCBI和EMBL三个数据库已发展为全球生命科学领域最权威、使用最广泛的生物信息数据库[46]。尽管这三个数据库由不同国家开发和维护，但彼此之间密切合作，对信息资源实行同步更新，为信息的完整性和及时性提供了更多保障[46-47]。

4 我国在两用生物技术的生物安全领域面临的挑战与建议

生物安全涉及国家安全等核心利益，欧美等发达国家已将生物安全纳入国家安全战略层面。目前，我国尚未形成系统的生物安全防御战略和完善的生物威胁管控体系，亟待高度重视。此外，我国目前开展生命科学研究所需的大多数配套支撑依赖发达国家的支持，如数据信息库、设备、试剂等。最近美国商务部工业安全局公布的技术出口管制征集意见清单中，着重列出了合成生物学、基因组和基因工程等管控内容。当前局势对我国新兴技术的发展造成限制，容易再度引发“卡脖子”危机。作为新时期的国家安全表现形式，生物安全可能带来经济安全与政治安全风险，我国应尽早在政治、军事、科技、外交等领域进行全面部署，在顶层设计、管控体系、创新能力、法律政策、全球科技治理、人才梯队建设等方面尽快采取行动，应对由全球生物科技迅猛发展所引发的生物安全威胁和生物科技战略挤压危机。

4.1 加强国家生物安全顶层设计

建议加强国家生物安全顶层设计，打破国内生物安全管理和执行中的“碎片化”问题，强化国家层面的科学设计和统筹布局。相关领导部门应聚焦于最近3～5年、着眼于未来20～30年，对现有生物安全战略进行更新和修订，针对不同威胁类型和我国国情制定更为具体的短期和长期战略。

4.2 统筹生物安全防御管控体系

针对我国生物安全在监管实践环节暴露出的多头管理、职责重叠、执行效力等问题，建议应打破研究领域和管理部门之间的沟通壁垒，采取拉网模式全面评估、排查我国生物安全潜在风险。融合生物技术、计算机、法学等生物安全相关领域，形成特别工作组，对所有生物威胁开展统一评估，建立系统的应对和解决方案。

4.3 提高生物安全领域科技创新能力

以创新促安全，以发展保安全，就要加快生物科研的追赶步伐，持续加大科研投入，重视生物安全科技支撑能力建设。开展生物安全科技创新超前布局，着手建立国家生物信息中心，将研发配套设施、开发核心技术等基础研究纳入国家规划，并由国家财政收入提供稳定的财力支持，提高生物安全领域核心竞争力。

4.4 抓紧制定和完善生物安全领域法律和政策

结合我国国情，尽快更新和完善现有法律法规，在立法上采取相应的措施，降低生命科学与生物技术研究中两用性研究的风险，形成对生物恐怖和生物防御、传染病防控、实验室生物安全、菌种毒种保藏管理、生物操作技术管理等全方位监管和惩治的生物安全法律体系。

4.5 深度参与全球科技治理，争夺国际话语权

充分学习和借鉴发达国家的经验做法，组建由外交、军事、科技、法律等多领域专家组成的国际生物军控专业化团队，建立由我国主导的非政府组织和智囊机构，积极融入相关国际立法和协商对话之中，在国际生物军控领域持续发声，争夺这一领域的国际话语权和制度权，树立负责任大国的良好国际形象。

4.6 加强生物安全防御的人才培养和梯队建设

聚合生命科学、计算机、风险管理、法律等学科的交叉研究，加快设立交叉领域的独立学科，设立研究生学位点，制定系统培训计划；设立生物安全相关专业，开设生物安全相关的必修课、选修课程，积极储备生物安全优秀人才，打破生物安全领域交叉人才匮乏的局限。

5 结语

本文通过研判两用生物技术的发展趋势及其结合传染病造成的新型生物威胁，解读了当前国际生物安全形势，分析了引发生物安全危机的关键因素。研究发现，现代生物科技的跨越式发展、国际安全形势复杂多变及两用生物技术误用和滥用的潜在风险，导致国家和社会面临的生物武器、生物恐怖主义、大规模传染病等生物安全威胁日益严峻。为了更加深入地了解我国生物安全面临的挑战，对未来该领域的发展提出建议，本文还对以美国为主的西方发达国家在生物安全领域的战略布局和研究能力进行了调研。经了解发现，发达国家高度重视生物安全问题，已将生物安全提升至国家战略层面，制定了多维度的发展规划与规章准则，同时加大力度开展生物安全防御相关研究。与此相比，我国生物安全体系的顶层设计和战略布局还存在明显不足，导致生物安全防御能力水平不足。西方发达国家在生物技术的创新水平、能力储备及配套支撑等方面都处于国际领先地位。尽管近几年我国在合成生物学和基因编辑领域相关技术的研发中取得了一些重大突破，但在仪器设备、信息资源等基础支撑方面仍对发达国家存在较大依赖，为生物安全带来了巨大隐患，影响了经济安全、社会安全乃至国家安全。因此，当前形势下，我国应该高度重视加强生物安全领域的全面战略部署，推动生物安全领域科学基础研究，加强培养交叉专业人才队伍，提升国家总体生物安全观念及生物防御能力水平。