2014年12月9日星期二

生物科学创新

在考虑未来的技术和如何影响经济增长的情况下,由于明显的原因,它足够普遍,专注于与信息和通信技术有关的可能性:互联网,机器人,无人驾驶汽车等的新可能性。值得注意的是,计算的权力可以与生物学研究结合,以使其他地区的突破性地结合起来。威廉霍夫曼提请注意“生物科学创新的变化趋势”在今年早些时候发表在《全球政策》上的一篇文章中。威廉·霍夫曼和里奥·福赫特也刚刚出版了一本关于这个主题的书
生物学家的想象:生物科学中的创新

这是霍夫曼文章中的几个数字,用来说明近几十年来生物科学创新惊人的快速变化。这张图显示了全球人口随时间的变化,同时也显示了各种重要发现的时间。罗伯特·福格尔(Robert Fogel)做了这个数字的早期版本,而霍夫曼则增加了生物科学创新的细节。在半个多世纪的时间里,这一领域的创新已经从抗生素和脊髓灰质炎疫苗发展到人类基因组测序和合成细菌细胞。




出于这一领域的变化速度,思考来自“摩尔定律”的收益,该关系首次指出1965年由戈登摩尔(Gordon Moore)是英特尔公司的创始人之一,即计算机芯片上的晶体管数量每两年加倍。从Thenm以来,增长率很好地升高了,似乎至少需要几年(对于对这篇博客的摩尔法的早期讨论,见这里这里)。信息技术革命的结果是我们周围的。这里的关键点是,在2007年以来,测序的排序成本比摩尔定律更快。


到目前为止,生物科学最著名的经济回报是制药业(一组药物和药物通常被称为“生物制剂”)和转基因作物(对食品和生物燃料等相关产品都有影响)。但我的感觉是,各种各样的工业甚至家庭应用可能也不会远远落后。以下是霍夫曼论证的一个例子:

基因组学和生物信息学的尖端工具,包括干细胞在内的细胞技术,以及合成生物学,在纳米技术和自动化的帮助下,将彻底改变生物科学的生产力。这些工具使DNA测序和合成在工业规模上成为可能,精确编辑基因,控制细胞的生长和分化,并以三维(3D)构建种子,并创建微生物工厂生产药物,化学品,燃料和材料。它们正在改变药物发现、开发和诊断测试的传统模式。越多的DNA、RNA和细胞成分属于生物工程师的范畴,我们就越有可能看到可再生燃料、生物可降解材料和更安全的工业化学品的大规模生产。
基因组学正在打开基因等位基因的窗口,使粮食作物能够适应气候变化,合成生物学正在被用于设计新的环境修复系统。使用3D打印机,“无论是在遥远的非洲角落还是外太空”的人们都能掌握科学知识,因此他们可以按需打印药物。它们可以被修改为打印包括干细胞在内的细胞,而干细胞是细胞分化和组织修复的关键。数字化生物打印意味着按需生产组织和器官,用于外科建模、医疗治疗、药物测试和科学教育。
在最基本的层面上,可以根据需要种植有用材料的想法,而不仅仅是由原料制造,似乎是一个可能的突破。几年前我读了这篇文章“形式和真菌:蘑菇可以帮助我们摆脱辛酸吗?“由Ian Frazier在纽约杂志(5月20日,3013)。他讲述了铸造的故事,它基本上使用真菌,如聪明的蘑菇,因为它的生产过程取代了聚苯乙烯泡沫塑料。Frazier写道:
由他们的工厂制造的包装材料采用农业废物的基材,如切碎的玉米秆和外壳;蒸杀蒸汽;增加痕量营养物和少量水;用菌丝颗粒注射混合物[这是真菌部分];将其放入成形的模具中,如一块包装,可在运输过程中保护产品;并将模具设置在黑暗中的机架上。四天后,菌丝体在整个基材上生长成模具的形状,生产几乎与苯乙烯泡沫塑料不同地区分的材料,功能和成本。热量的应用杀死菌丝体并停止生长。在分解并抛入堆肥堆时,包装材料在大约一个月内生物降解。
事实证明,当你开始思考在模子里生长的真菌的特性时,各种各样的可能性就会出现,比如用作绝缘材料的可能性,甚至是替代木材的可能性。随着生物科学迅速发展的力量开始与这种新的思维方式——我认为是“发展它,而不是制造它”——相互作用,我怀疑大量的商品和服务将受到影响。

霍夫曼还预先指出,未来的“生物经济”可能会引发一些棘手的伦理和安全问题。这些问题在某些情况下是困难的,值得深思。但我要补充的是,没有理由相信这些问题的答案将由政治家、监管者、科学家和美国或欧盟等高收入国家的公民决定。世界各地都在进行顶级生物科学研究,包括中国、印度、巴西和其他地方。无论美国是否决定让国内研究人员和企业全面参与,一场生物科学的革命正在到来。