推进军事合成生物学学科建设的思考

雷长海，胡适，毛瑞雪，李天

［作者单位］ 200433 上海，海军军医大学基础医学院

21 世纪是生命科学的时代，而生命科学转化为实用技术最有前途的桥梁之一就是合成生物学［1］。合成生物学作为一种具有颠覆性意义的新兴技术，可用于药物的快速合成、基因改良和人体快速损伤修复等领域，其军事应用价值已初现端倪［2］。但合成生物学的发展使得生物武器和化学武器的重叠程度逐渐增加，使用生物方法制造，甚至改造病毒或毒素作为武器的担忧并非杞人忧天。美国国家科学院对合成生物学可能引发的生物威胁进行评估后，建议美国军方及其他机构建立合成生物学技术和能力的评估框架，探索更为灵活的生物防御策略，加强军民基础设施建设，以应对潜在的生物攻击。由此可见，合成生物学必将催生新的作战样式和作战理念，必然会对未来战争产生重大影响。军队医学院校必须警惕合成生物学技术在未来战场对我军形成的潜在威胁和不对称优势，做到紧密跟踪和超前研究，分析国外以防护生物威胁为幌子，利用合成生物学技术开发生物武器的可能性，评估未来战场所面临的生物安全问题及潜在风险，面向战斗力生成和战斗力保障的各种可能形态，积极开展军事合成生物学学科建设。

1 合成生物学简介

合成生物学是一门涉及生物学、生物工程学、系统生物学、数学、物理、化学与信息科学的新兴交叉学科，其突破了生物学以发现描述与定性分析为主的“格物致知”的传统研究方式，提出了“建物致知”的全新理念，通过生物体系的模拟、合成、简化和再设计，使得人类更加深刻地理解生命的本质。合成生物学研究的技术方法和工具手段，可能突破生命自然进化的限制，有望引领生命科学研究的未来，被称为“生物技术的第3 次革命”［3］。

合成生物学是在工程学思想的指导下，从头设计并构建新的生物元件、装置和系统，或对现有的、天然的生物系统进行重新设计和改造［4］，即通过人工设计和工程学方法创造新的生物学组件、设备和系统，或者对现有的自然生物系统进行重新设计［5］。这种由人工设计的生物功能和系统，较天然的生物系统具有简单可控的特点，使得合成生物学在医药、化工、能源、环保等诸多领域具有广阔的应用前景，被多个知名科学媒体和智库列为“改变世界的科技之一”。2012 年美国政府发布的《国家生物经济蓝图》指出，美国未来的生物经济依赖于包括合成生物学在内的新技术的开发应用。英国将合成生物学作为引领未来经济发展的4 个新兴产业之一［6］，我国“十三五”规划也将合成生物技术列为“引领产业变革的颠覆性技术之一”。

2 国内外合成生物学建设情况

西方发达国家高度重视合成生物学建设和人才培养。美国是当今合成生物学领域研究的全球领军力量［7］，对合成生物学在经费投入、研究平台和基础设施建设、促进技术商业化应用等方面的支持力度不断加大，意图谋求未来在全球合成生物学发展中的领导地位。早在2006 年，美国国家自然科学基金投入2 000 万美元，由加州大学伯克利分校、哈佛大学、麻省理工学院及加州大学旧金山分校共同组建成立合成生物学工程研究中心（the Synthetic Biology Engineering Research Center，SynBERC）。英国于2014 年成立了综合的合成生物学博士培训中心（Centre for Doctoral Training in Synthetic Biology，SynBioCDT）［8］，形成全国范围内的研究与教育基础设施网络，这些中心互补优势、聚集资源和培育人才［9］，统一协调合成生物学领域的教育培训，并且各个大学也相继开设合成生物学相关的教育课程，强调要面对未来产业发展需求，加强合成生物学技能培训，加强本科学生跨学科教育，对合成生物学研究生开设社会和伦理课程［10］。2005 年欧盟发表了《合成生物学——将工程应用于生物学》的项目报告，提出欧盟应该在合成生物学研究、支撑基础和教育等方面采取行动，并于2007 年启动了报告中各方面的18 个项目［11］。

近年来，我国的合成生物学也在快速发展。“十二五”“十三五”规划及“973”“863”计划等均将合成生物学列为重点研究方向。2018 年，科技部设立“合成生物学重点专项”，2018 和2019 年度共支持58 个研究方向，资助经费总概算达到14.37 亿元［12］，2020 年我国拨经费总概算3.8 亿元，支持23 个项目，其中15 个项目由高校牵头［天津大学牵头3项、上海交通大学（含附属医院）牵头2 项、广西大学、南开大学、河南大学、华东理工大学、南京大学（含附属医院）、江南大学、湖北大学、深圳大学、南方科技大学和西湖大学各牵头1 项］。天津大学作为目前全国高校中唯一设置合成生物学本科专业的学校，于2020 年首次招生。该校以培养具有国际视野的、创新能力的合成生物学专业的人才为目标，通过推进多学科融合，依托国家五星一级学科的化学工程与技术，开设一系列专业必修课程；在师资建设上引入生物物理、计算机、软件等专业教师授课，在课程实践环节，加强国际合作，组织学生参加国际竞赛；在人才选拔培养上增加动态调整机制等措施，有效推进合成生物学学科建设［13］。中国科学院合成生物学重点实验室从2014 年开始为研究生开设合成生物学专业课程［14］，山东大学开设“遗传机器的组装与设计——合成生物学”的小规模限制性在线课程（SPOC），清华大学、天津大学、武汉大学、华东理工大学、华东师范大学、北京大学、上海科技大学、上海交通大学等院校均开展了合成生物学的教学科研和人才培养工作。

然而，军队医学院校的合成生物学学科建设尚未正式启动，以3 所军医大学的生物技术专业的教学为例，其开设的专业课程包括生物化学、基因工程、病毒学、生物安全、军队流行病学和生物制药等［15］，合成生物学的内容相对缺乏。

3 合成生物学给军事医学带来的机遇与挑战

与很多新兴技术一样，合成生物学也具有民用和军用双重用途。其为医学领域的发展带来的强大动力也可以用于军事医学，包括通过分子传感器、分子纳米器件与分子机器的开发等提升疾病诊断能力，开发人工合成减毒或无毒活疫苗以增强疾病预防能力，合成人工噬菌体使其成为替代抗生素的新型杀菌物质，将人工噬菌体技术和基因组打靶技术等用于基因治疗，运用合成生物学技术设计可以精确调控细胞行为和表型的特异免疫细胞、干细胞等临床治疗性细胞产品体系，人工设计和合成工程细菌作为靶向治疗用的药物载体，促进干细胞与再生医学的发展等。基于合成生物学的新药开发处于蓬勃发展阶段，一些在战场具有重大或潜在应用价值的药物也在开发当中。美国斯坦福大学研究人员将来自于植物、细菌和啮齿动物的20 余个基因导入酵母中，利用改造过的酵母，成功将糖转化为阿片类止痛药物——二甲基吗啡和氢可酮，这2种止痛药均可作为潜在的战场止痛药物。德国耶拿大学的研究人员在构巢曲霉中重构一种致幻药物——赛洛西宾（psilocybin）的代谢途径，将其代谢途径中各个酶串联表达于同一个启动子下，最终实现了该药的异源合成。美国于2018 年批准用其进行治疗抑郁症的临床试验，该药也可用于开发治疗战场特殊环境下（如幽闭空间、长时间高负荷作战等）士兵焦虑症的靶向药物。哈佛大学、麻省理工学院和多伦多大学的科研人员合作开发了一种新型的无细胞蛋白合成（cell⁃free protein synthesis，CF⁃PS）系统，将CFPS 组分制成冻干提取物，制备成便携式微型药物合成工厂。通过加入相应的代谢模块，即能生产出具有生物活性的抗菌肽、白喉菌苗、纳米抗体和小分子药物等，为疾病的预防、诊断以及个体化精准治疗提供了新的可能，同时也实现了按需生产和携带的方便性。这项技术在军事医学领域中具有极好的应用前景，由于冻干的CFPS 组分具有保存时间长和便携式优点，可用于战场药物的实时快速生产［16］。

但必须清醒地看到，合成生物学也可能导致新的安全威胁——特别是制造致命的生物武器［17］。美国国家科学院《合成生物学时代的生物防御》报告归纳了“制造病原体生物武器”“制造化学品或生物化学品”“制造可改变人类宿主的生物武器”3 大类11 种合成生物学能力，呼吁“美国政府应该密切关注合成生物学这个高速发展的领域，就像在冷战时期对化学和物理学的密切关注一样”［18］。

针对这类潜在威胁，美国总统生物伦理咨询委员会和美国国家科学技术理事会先后发布《新方向——合成生物学和新兴技术的伦理问题》《美国国土生物防御领域科技能力评估》等报告。但是美国在强调生物技术风险管控的同时，实际上却对基因编辑、基因驱动、合成生物学等技术开绿灯。这种看似割裂的应对策略凸显出“安全”与“发展”这一涉及国家重大战略的现实命题［19］。

在此背景下，军队医学院校必须与国家和军队科技战略需求接轨，落实中央军委关于生物安全、军事医学科技创新的指示精神，认清合成生物学给军事医学带来的机遇与挑战，紧密结合形势发展变化，密切关注其他国家研究的最新动态，抓紧推进军事合成生物学学科建设和相关专业人才培养工作。

4 军队医学院校建设军事合成生物学学科的路径思考

4.1 面向未来战争需求明确学科定义 多种病原体，如脊髓灰质炎病毒、H1N1 流感病毒、重症急性呼吸综合征（SARS）样冠状病毒等，均在实验室实现了人工合成或改造，甚至突破了病毒的种属隔离，具备了在哺乳动物之间传播的能力，这样的病毒如从实验室泄露，后果可能是灾难性的。另外，随着生物毒素的开发利用，其军事意义也越发受到关注。与核、化学武器相比，生物毒素战剂的生产和使用要容易得多，而且许多生物毒素作为致死性或失能性战剂也远比化学毒剂更有效。发展生物毒素战剂的检测识别与有效的防治药物已成为各国生防领域的重要研究任务［20］。值得特别重视的是，目前许多毒素蛋白可以通过基因工程方法生产，甚至可对毒素基因进行修饰、嵌合以发展新型毒素基因或超级毒素基因。这些人工设计改造的基因组和基因片段重组使开发针对敌方的生物武器乃至基因武器成为可能。

合成生物学能够将传统的生物传感器、诱导操纵子等响应部件和输出不同信号的报告系统进行多样化组合，为检测提供新的思路与方法［21］。如可以通过人工设计的益生菌识别与标志特定的体内靶标，包括感染、炎症、有毒化合物等，从而可以高特异性、快速检测特定人体疾病、毒素等，便于早期干预和快速恢复。合成生物学方法和技术也正被用于冠状病毒的研究，以加速致病机制的解析以及相关药物和疫苗的研发［22］。由此可见，合成生物学具备病毒战剂、生物毒素战剂的侦检防治能力。

合成生物学构建人工生物系统是为了更好地理解天然生物系统的工作原理，加深人类对生命本质的理解，同时实现在化学品、医药、能源、材料等领域的产业化应用。不同于合成生物学的学科特性，军事合成生物学是一门利用合成生物学的概念和技术，设计针对各类潜在病毒战剂、生物毒素战剂的检测、报告、反应等合成基因元器件，并通过这些元器件来优化现有自然生物体系，构建人工生物系统，实现病毒战剂、生物毒素战剂的高特异性、快速检测，进行早期干预和治疗的学科。由于其研究对象具有高度危险性，研究成果要求适应卫勤需求，符合战场及急救的条件，使得军事合成生物学不同于一般合成生物学，这也是军事合成生物学的学科定义所在。

4.2 以学科交叉融合带动军事合成生物学学科建设 随着科学技术的高速发展，新兴交叉学科随之日渐增多，但发展却呈现不均衡之势——有的停留在学理层面而裹足不前，有的功能泛化而难成一体［23］。纵观高校交叉学科、新兴学科的发展，不难发现交叉新兴学科发展的有效途径一般都是在优势特色学科内孕育交叉新兴学科，进行有效培植［24］。

合成生物学作为一门新兴学科，尚未收入学位授予和人才培养学科目录（2018 年4 月更新）。合成生物学专业于2019 年才刚进入普通高等学校本科专业目录，属于生物工程类专业，专业代码：083003T，绝大多数医学院校都没有设立该专业，在这种情况下，走学科交叉融合是军事医学院校军事合成生物学学科建设和发展的必由之路。

自2015 年起，海军军医大学依托生物物理学和生物医学工程2 个学科开展军事合成生物学学科基本条件建设，军事合成生物学与医学基础课程的整合模式已在生物物理学等课程教学中有效开展，合成生物学教材完成编写即将出版，《合成生物学与iGEM 竞赛》课程面向全校学生开设，合成生物学实践教学平台也已建成，并主动融入学校承担的国家“双一流”建设任务和军队重点学科专业建设任务，依托生物化学与分子生物学等重点学科，推进军事合成生物学师资队伍建设和教学资源建设，探索“为战抓教”的课程改革，注重战场意识培育，突出战场生物安全危机意识和生物安全责任，形成了抗体工程技术与合成生物学编程控制相结合的新型毒素战剂抗体合成的学科特色，军事合成生物学现已成为军队双重建设重点学科的重要组成部分。

4.3 构建竞教结合平台，提高人才培养质量 学科水平的最终体现是人才的培养质量，创新能力的培养则是提升人才培养质量的重要手段之一。学科竞赛作为一种创新教学的实践，具有较强的导向性和检验性。通过学科竞赛可以改善学生学习的主动性，促使学生将学习到的理论知识运用到解决现实问题中。参赛学生作为竞赛活动的主体实践者和问题发现的探究者，在竞赛的过程中养成的科学严谨态度和勇于探索精神将促使学生在学习过程中能不断分析问题、推测推理、领悟知识，进一步培养学生的基本科研能力和创新能力［25］。

国际基因工程机器大赛（international genetical⁃ly engineered machine competition，iGEM）是合成生物学领域的国际顶级大学生科技赛事，始于2003 年麻省理工学院的一门独立研究课程，2005 年发展成为国际赛事，具有广泛的国际影响力。iGEM 大赛对于参赛项目的定位是“影响世界”——“How your work affect the world and how the world affects your work”，鼓励参赛队伍综合生物、数、理、化、信息等多学科的背景和技术，以团队合作的方式，通过构建标准化的生物元器件，对天然生物系统进行高效、可靠、精准的改造，以解决社会生活中存在的问题。iGEM 这种通过竞赛促进学科间交流的形式，反映了美国研究型大学多年以来重视本科生科研训练的传统，代表了以学生为中心的、研究型学习的先进培养模式，吸引了包括哈佛大学、牛津大学、麻省理工学院、清华大学、北京大学等国内外知名高校参加。

国防科技大学是最早参加国际基因工程机器大赛的国内军队院校，陆军军医大学于2016 年开始参加比赛，均取得了优异的成绩，其参赛经历证明iGEM 大赛作为一项国际性的大学生学科竞赛，在培养大学本科生科研创新思维中具有明显的优势［26］。因此，借鉴优秀高校人才培养的经验方法，本校于2018 年开始参加iGEM 竞赛，并以该竞赛为核心，构建教学、竞赛、科研三维一体的竞教结合人才培养平台。经过3 年多的完善改进，由本科生参加国际基因机器大赛为主线的军事合成生物学教学与学生创新能力培养模式基本建立，参赛学生以iGEM SMMU⁃China 团队作为第一或共同作者的所属单位发表多篇高水平研究论文［27-30］。但是，也必须清醒地看到，我国军校的参赛项目的军事特征尚不够鲜明［31］。相对于此，美国西点军校iGEM 团队的项目就值得借鉴，该项目旨在通过合成生物学技术实现战场环境侦测，补充现有军犬嗅探和雷达扫描检测手段的不足，保护作战人员免于爆炸物和化学武器的威胁。因此，在今后指导本科生参加学科竞赛、开展科研实训时，必须注意进一步聚焦军事应用，这样才能更好地面向战场、面向部队、面向未来培养人才，从而推进军事合成生物学学科的建设。

5 结语

军队医学院校担负着培养适应中国特色军事变革，满足未来战争需要的医学人才培养任务，应紧密围绕国家和军队科技战略需求，面向国际前沿，着眼未来战争，强化军事特色，积极开展军事合成生物学学科建设，构筑高水平军事合成生物学人才培养基地和教学科研创新平台。相信随着本校在军事合成生物学领域人才培养体系的不断完善，越来越多的优秀科技创新人才会走上岗位，为我国和我军的生物安全和国际反恐怖斗争需要提供人才支撑和保障。