【国科亮视点】生物革命——创新改变了经济、社会和生活
本文由中国科学院上海营养与健康研究所 战略情报团队供稿
麦肯锡全球研究院
生物革命：创新改变了经济、社会和人们的生活
编者按：2020年5月，麦肯锡全球研究院（McKinsey Global Institute，MGI）发布了报告——《生物革命：创新改变了经济、社会和人们的生活》（The Bio Revolution: Innovations transforming economies,societies, and our lives）。报告详细介绍了生物科学的进步及其应用对经济和社会的影响；通过400个案例分析，总结了未来生物创新的4个关键领域：生物分子（Biomolecules）、生物系统（Biosystems）、生物机器界面（Biomachine interfaces）和生物计算（Biocomputing）；提出了在未来短期（2020-2030）、中期（2030-2040）和长期（2040-2050）可能的创新应用方向。
生物领域的研究已经进入了新阶段。近几年一系列创新（例如CRISPR–Cas9基因编辑和干细胞重编程）正在为该领域提供新的理解、新的材料、新的工具，以及更低的成本。2016年启动的人类细胞图谱计划（Human Cell Atlas project），旨在创建人体所有细胞的综合参考图谱，并为研究、诊断、监测和治疗提供基础。生物科学的发展也对经济和社会产生了极大的影响。麦肯锡的报告详细研究了生物科学进步带来的实际应用，以及对经济和社会发展的影响。报告指出：“生物革命”的新时代已经来临，这是个充满机遇和不确定性的时代。 生物科学正在随着计算、数据分析、机器学习、人工智能以及生物工程的发展而不断进步，这也加速了创新的浪潮。报告将创新方向分为4个领域：生物分子（Biomolecules）、生物系统（Biosystems）、生物机器界面（Biomachine interfaces）和生物计算（Biocomputing）（表1）。 4个领域的重大突破正在相互促进和加强。生物分子和生物系统中，组学和分子技术的进步，例如细胞内分子和途径的映射与测量及其工程化，不断提升人们了解生物过程和设计生物的能力。例如，科学家利用CRISPR技术，可以更快、更精确地编辑基因。生物机器和生物计算的发展都涉及到生物学和机器之间的深度连接，未来可能实现神经信号的测量以及精准的神经修复，也使利用DNA存储数据成为可能。某种程度上，一公斤DNA就能存储当前世界上所有数据。 基因组学是组学技术最先发展的分支，可以追溯到人类基因组计划（1990年开始、历经13年、花费30亿美元），并且已经有相关应用。此后，其他组学技术也开始快速发展。目前，DNA测序成本的下降速度已经快于摩尔定律（图1）。2003年绘制人类基因组图谱耗费约30亿美元；2019年仅需花费不到1000美元；未来十年甚至更短时间内，成本可能会降到100美元以下。 新的生物学的创新能力有可能给经济和社会带来巨大变革：从研发范式到生产的实际投入，再到药品和消费品的交付与消费方式，整个价值链都会受到影响。这些能力包括： ¢ 生物学手段可以用于生产大部分的全球经济物质，具有改善性能和可持续性的潜力， 包括改善材料特性、减少制造和加工过程的排放、缩短价值链等。数百年来，发酵一直用于制作面包和啤酒，而如今也可以用来制造人造蜘蛛丝等纺织品。越来越多利用生物学创造的新颖材料具有高品质、全新功能、可生物降解，以及通过显著减少碳排放方式生产等特性。例如，利用蘑菇根而不是动物皮毛制作皮革；用酵母代替石油化学生产塑料等。 ¢ 精准 和 个性化贯穿从开发到消费的整个价值链 。 生物科学的进步使研发和交付都更加精准和可预测；研发也正在从偶然发现向合理设计转变。对人类基因组以及某些基因与疾病之间联系的理解不断加深，推动了个性化或精准医疗的实现，这或许比以前那种“千篇一律”的疗法更为有效。精准同样适用于农业，对植物和土壤微生物的了解和改造可以优化产量，并为消费者提供基于基因测试的个性化营养计划。 ¢ 对人类和非人类生物进行工程设计和重新编程的能力不断提高。 基因疗法首次提供了一些疾病的全新治疗。类似技术也用于开发有价值的新特性，例如，提高微生物、植物和动物等的产量。对农作物的基因改造可以获得更高的产量或抗性（耐热或抗旱）。虽然可能存在潜在的生态风险，但通过永久改变传播疾病的媒介（如蚊子）的基因，基因驱动可以用来预防病媒传播的疾病，例如疟疾、登革热、血吸虫病和莱姆病等。 ¢ 自动化、机器学习以及大量生物数据的会聚正在提高研究的发现、通量和产量。 生物和计算正在共同推动研发进而可能解决生产力的挑战。麦肯锡2017年的分析发现，生物制药行业生产力的收入与研发支出比率在2008-2011年之间达到最低点。随着测序技术成本下降，大量的生物数据产生，越来越多的生物技术公司和研究机构开始在实验室中使用机器自动化和传感器，将吞吐量提高了十倍。此外，高级分析、强大的计算技术和人工智能的使用，也在一定程度上加快了研发进程。 ¢ 生物系统和计算之间接口的潜力正在增长。 新一代生物机器接口依赖于人与计算机的紧密交互。此类接口，如神经义肢，包括可恢复感觉功能（仿生视力），或是使大脑信号可控制假肢和瘫痪肢体进行身体运动等。目前正在研究利用生物学模仿硅的生物计算机，包括利用DNA存储数据。DNA的密度大约是硬盘的一百万倍；从技术上讲，一公斤DNA就可以存储世界上全部的数据（截止2016年）。未来2 0年内对广泛领域产生深远影响的可预见的应用 管线
报告排除了目前科学上无法想象或到2050年不可能产生重大商业影响的案例，收集到大约400个实用案例，并以此为基础构建未来初步可预见的管线。主要通过4个价值增益驱动因素评估直接影响，包括减少疾病负担、提高质量、降低成本、环境效益。分析表明，未来10-20年，预计这些应用可能对全球每年产生2-4万亿美元的直接经济影响。下面总结了这些关键领域中的应用案例。 ¢ 人类健康和性能。 新一波的创新浪潮已经来临，包括用于治疗或预防疾病的细胞、基因、RNA和微生物组；创新的生殖医学；药物开发和交付的改进。通过这些应用，未来10-20年可以减轻全球疾病总负担的1-3%，大致相当于消除肺癌、乳腺癌和前列腺癌的全球疾病负担。麦肯锡预计，随着技术创新及充分应用，未来或将解决全球疾病总负担的45%。该领域未来在全球范围内每年直接产生的潜在影响约0.5-1.3万亿美元，占总额的35%，主要应用范围可能是提高治疗的精准度和个性化程度，以及加快研发步伐。 ¢ 农业、 水产养殖和食品。 诸如低成本、高通量的微阵列等的应用使动植物测序相关数据激增，从而能够基于更全面的遗传标志物，人工选择所需性状，这种标记辅助育种比传统育种方法更快速和便捷。20世纪90年代基因工程的商业化应用，以超越传统育种方式来改善植物性状。该领域的其他创新还包括利用植物、土壤、动物和水中的微生物提高农业生产的质量和产量；开发替代蛋白质减轻传统畜牧和水产业对环境的压力，例如实验室中培养的肉。未来10-20年，该领域年度直接经济影响可能在0.8-1.2万亿美元之间，占总额的36%。 ¢ 消费品和服务。 大量生物数据的产生有助于为消费者提供个性化的产品和服务。相关应用包括直接面向消费者（DTC）的基因测试，基于微生物群落的美容和个人护理，以及人和宠物的创新养生。其中一些应用也可能对人类健康产生间接影响，例如健身应用程序等。该领域未来10-20年的年度直接经济影响可能在0.2-0.8万亿美元之间，占总额的19%，其中大约2/3可能来自个性化服务。 ¢ 材料 、 化学品和能源 。 新生物方法可以改进材料、化学品和能源的制造和加工过程，进而改变人们的日常生活。此外，创新生物线路可能产生全新的材料；能源获取的改善和储能技术的发展也为生物燃料的应用带来了更多前景。未来10-20年该领域年度直接经济影响可能在0.2-0.3万亿美元之间，占总额的8%。这种经济潜力中约3/4与新生产方式带来的资源效率提高有关。 生物学还有许多其他潜在应用，例如通过生物碳固存（利用生物过程捕获大气中的碳排放物）和生物修复（去除土壤、水和大气中可能的有害无机物和有机物）保护环境。报告指出，生物分子和生物系统的创新将产生相对更大的经济影响；目前，生物机器界面和生物计算的发展还处于早期阶段，但其未来应用前景非常广阔，正在开发的应用包括利用神经修复技术恢复听力和视力等。 利用生物创新的速度和程度会因应用领域的不同而不同（表2）。一些应用已经显示出早期商业应用的前景，例如CAR-T细胞疗法已经证实商业上可行，虽然还在初期阶段，但未来十年可能会迅速发展。还有一些应用，例如通过基因工程植物隔离CO2 ，虽然在科学研究中显示出了希望，但距离其商业可能性的实现还有很长的路要走。
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