生命科学前沿与现代生物技术进展

生命科学前沿与现代生物技术进展令利军一、脑科学计划二、3D生物打印技术三、脑机接口与脑脑接口四、基因组编辑技术五、单细胞测序技术六、艾滋病与肿瘤治疗七、转基因食品与安全性一、脑科学计划•美国科学家JohnOKeefe（约翰·欧基夫）、挪威科学家MayBrittMoser（梅-布里特·莫泽），以及挪威科学家EdvandMoser（爱德华·莫泽），因发现了大脑中形成定位系统的细胞，而被授予了2014诺贝尔生理学或医学奖。毋庸置疑，现代神经科学已经取得了革命性进展，未来它仍将是科学发展的大势。动物或人脑的海马及相邻区域有位置细胞、头部方向细胞和网格细胞。它们共同的作用在于定位动物和人在空间的位置。当动物或人在房间或公园内走动，特定的细胞在不同的位置就会活动，就会反映出他们在什么位置。而发现这一点，对于发现动物或人怎么确定方向确定位置很重要。美国-脑科学计划2013年4月2日，美国总统奥巴马宣布，正式启动一项“脑科学计划”，全称“运用先进创新神经技术的大脑研究计划（BrainResearchThroughAdvancingInnovativeNeurotechnologies）”，以探索人类大脑工作机制，绘制脑活动全图，并针对目前无法治愈的大脑疾病开发新疗法。美国启动“脑科学计划”，正式标志着其决心全力抢占脑科学研究的战略制高点。美国-脑科学计划年经费投入：2.32亿美元联邦政府1.1亿私营机构1.22亿国防高级研究计划局（DARPA）5000万美元美国-脑科学计划初步实施方案确定了9个研究重点领域，其中包括：1.创建大脑结构图谱2.开发大型神经网络记录能力3.开发基于光遗传学、药物遗传学、生物化学和电磁场等的神经回路操纵工具4.利用虚拟现实、机器学习等了解认知和行为活动基础5.研究提高人类大脑成像技术的空间分辨率和时间采样率美国-脑科学计划计划将分为4个阶段：1.其中研发新的影像工具，如利用光线穿透脑组织，以探测并操控细胞功能；2.利用新一代电子探针，检测和操控大量的细胞；3.利用纳米技术对单个神经细胞内的活动进行实时报告；4.仿造人类基因组计划的做法，建立数据分析和共享系统。欧盟-脑科学计划欧盟委员会2013年1月28日宣布，人脑计划（HumanBrainProject）入选“未来新兴旗舰技术项目”，将在未来10年内获得10亿欧元的经费资助。人脑计划意在通过大型计算机模拟人脑的细胞、化学性质和连接性，以求更好地了解大脑的功能和发育。欧盟指出，对人脑的研究及相应技术研发至关重要。这不但有助于帕金森病、阿尔茨海默病等脑部疾病的诊断和治疗，同时还可以解释人脑的高能效、高可靠性之谜，对人工智能研发具有重大作用。我国脑科学计划即将启动•面对激烈的国际竞争，中国将在脑科学领域有何作为？中科院外籍院士、中科院上海神经科学研究所所长、中科院脑科学卓越创新中心主任蒲慕明表示，目前，国内专家已基本达成共识：我国应集中资源、凭借某些领域的优势解决当下最迫切的社会需求，发展预防和治疗脑疾病的诊疗手段，尤其是神经发育疾病、精神类疾病、神经退行性病变的早期诊断和干预。•据蒲慕明介绍，大多数我国脑科学专家认为中国“脑计划”应侧重社会需求，以“脑健康”为计划的主题。主要的研究应聚焦在脑工作原理和与脑重大疾病相关的前沿领域上。它将在多学科交叉的基础上，以微观、介观和宏观尺度研究动态脑网络工作问题，尤其重视幼年神经发育疾病、中年精神类疾病和老年神经退行性病变（如阿尔兹海默症，又称老年痴呆症）的机理研究和研发早期诊断及早期干预的手段。我国丰富的脑疾病样本资源和非人灵长类动物的脑疾病模型将为中国特色的脑研究提供独特优势。•中外专家认为，“脑计划”比“人类基因组”难至少几百倍，所以这个计划更需要国际合作。二、3D生物打印技术3D生物打印技术•３Ｄ生物打印技术是近年来发展极为迅速的新的领域，2013年世界经济论坛确定了全球新兴技术的１０个方向，其中就包括３Ｄ生物打印技术。•3D生物打印技术的优势：1.可以实现组织器官的快速构建；2.可供选择的细胞种类丰富；3.能够完成复杂器官的精确打印；4.免疫排斥反应小。3D生物打印技术的应用方向1.推进人体组织器官再生研究人体组织再生研究是当前的热点研究领域，目前，用３Ｄ打印技术打印人体器官已经成为可能。2013年3月，美国科学家实现了人头骨的3D打印，并且获得FDA批准；2013年7月，美军资助的3D打印皮肤和肾脏研究取得突破。3D生物打印技术的应用方向2.辅助新药研发测试目前，药物测试需要大量受试动物，通过3D打印技术，科学家已经打印出人造肝脏组织，有望取代动物用于新药测试，获得更好的测试效果，同时可以大幅降低研发成本。此外，利用3D打印技术进行动脉、肾脏和特定细胞打印，可用于模拟人体对药物的反应，有助于选出安全、高效的药物。3D生物打印技术的应用方向3.促进活体细胞培养荷兰Twente大学的一个研究小组使用纳米3D打印技术制造出了迄今为止最小的金字塔，用于培养细胞。这种微型金字塔在组织工程和再生医学领域具有良好的应用价值。三、脑机接口与脑脑接口•所谓“脑机接口”技术，指的是在大脑与假肢等外部设备之间建立一条直接传输大脑指令的通道，在神经通路损坏的情况下，利用计算机解读脑部信号，进而控制外部设备。•2013年2月，美国杜克大学与巴西的研究人员成功对大鼠进行了“脑脑接口”实验实验。•2013年6月，美国明尼苏达大学科学家首次实现人类意念远程遥控直升机飞行。•2013年8月，美国华盛顿大学科学家首次进行了人类之间非侵入式脑脑接口试验，一个研究人员能通过互联网发送脑信号，成功控制远在校园另一侧的同伴的手部运动。目前，脑机接口技术面临两个技术难题：•第一个难题是如何把设备植入大脑，并且保证这个设备能够在使用者几十年的整个生命周期内正常运作；•第二个难题是通过什么样的方式从病人大脑中获得信息，并对信息进行有效解读。为了进一步推动脑机接口技术的发展，使其能够发挥更大的作用，脑机接口的研究者们正在努力攻克这两大难题。四、基因组编辑技术基因组编辑技术•2013年1月，麻省理工学院、洛克菲勒大学的研究人员开发了基因组编辑新技术，可通过添加或删除基因精确改变活细胞的基因组。•这一技术有可能为我们提供一种使用方便的廉价方法，用于操控生物体生产生物燃料、设计动物模型研究人类疾病、开发新疗法，以及其他潜在应用。五、单细胞测序技术•近几年来，基于单细胞测序技术的科学研究取得了突飞猛进的发展，其成果有望为一些重要的医学问题提供新的解决方案。•单细胞基因组扩增新技术（MALBAC）最早由哈佛大学谢晓亮教授发明，相关论文2012年发表于《科学》（Science）杂志。该方法通过形成闭合环来抑制DNA片段被重复地复制，以保持DNA扩增的均匀性，解决了传统方法对单细胞基因组扩增的强烈偏好性的问题。这项突破在单个细胞水平实现了全基因组93%的高覆盖率，同时也能准确检测单个肿瘤细胞中的染色体拷贝数异常。艾滋病治疗重大突破：三名携带HIV婴儿被治愈•英国《每日邮报》网站7月1日发表题为《3名携带HIV病毒的婴儿在出生几小时后接种突破性疫苗终被治愈》的报道称，3名在出生仅几小时后就接受一种突破性新药治疗的婴儿被宣布不再携带艾滋病病毒(HIV)，还有一名婴儿在接受同样治疗后体内病毒浓度变得非常低。•中山医学院颜光美教授课题组发现新型溶瘤病毒M1具有显著抗肿瘤作用，这对研发新型靶向抗肿瘤药物具有重要意义。•究显示，M1病毒是一种从中国海南岛分离得到的天然病毒，能选择性地感染并杀伤包括肝癌、结直肠癌、膀胱癌、黑色素瘤在内的多种体外培养的癌细胞，而对正常细胞无毒副作用。整体动物实验表明，经尾静脉注射的M1病毒能显著富集在肿瘤组织并抑制肿瘤生长，正常器官则不受影响。除细胞水平及动物实验之外，课题组还使用临床标本离体活组织培养模型进一步证实了上述新型溶瘤病毒的有效性和特异性。GeneticallyModifiedFood(GMF)andItsSafety转基因食品与安全性一、中国转基因安全性的争议29•2009年，中国颁发了具有自主知识产权的一个转植酸酶基因玉米品种，以及两个转抗虫基因水稻品种的生产应用安全证书。这一举措被业界认为具有里程碑性的意义。但是，部分社会公众曾经对此心存疑虑，担心转基因作物存在安全性问题。•——中国工程院院士、中国农业科学院生物技术研究所范云六研究员带领的科研团队，历经12年完成的转植酸酶基因玉米研究项目，日前获得农业部正式颁发的转基因生物安全证书。•——中国科学院院士、华中农业大学张启发教授带领的上述研究团队食用转基因大米已经多年，但此次意义非凡：他们研发的两种转基因水稻，率先获得了农业部颁发的安全证书。在华恢1号和汕优63这两种水稻品种中转入具有Bt抗虫蛋白的基因Cry1Ab/Cry1Ac。•2009年全国人大代表、内蒙古自治区鄂伦春自治旗古里乡党委副书记、乡长孟玉珍说:“转基因作物的一大特点就是抗虫、抗病性,那虫子吃了都受不了的东西,人吃就没事吗?”“粮食产量是确保国家粮食安全的重要一方面,但安全性更重要。光有产量,但大家都不敢吃,或者吃完之后还有一些后顾之忧,那保障国家粮食安全从何谈起?”她说。转基因技术用在原料加工领域就可以了,不能延伸到主粮生产领域。•2010年3月1日，我国120多名专家学者联名签发了一份建议，邮寄给全国人大常委会，建议人大立即撤销转基因水稻的安全认证。其中有学者尖锐指出：转基因主粮是否推广，应该听取民众意见，不能任由少数专家和少数官员“悄悄”作决定。•全国人大代表、中国社科院学部委员程恩富表示,鉴于粮食的重要性和不可替代性,如果转基因技术被应用于中国的粮食生产,则“举其十利不能掩一弊”,风险将难以估量。他认为转基因作物存在基因污染、增殖、扩散及清除途径不确定等因素,一旦转基因作物出了问题,是无法从根本上控制和补救的。另外,转基因产品对生态与环境安全具有不可预测的影响。加强对转基因粮食和工业原料的进口、经销环节监管进行立法。•中国农业科学院生物技术研究所研究员范云六院士:“转植酸酶基因玉米可以提高饲料的利用效率，减少饲料中磷酸氢钙的添加量，降低饲养成本；减少动物粪、尿中植酸磷的排泄，减轻环境污染，有利于环境保护。”范云六说，“此外，利用农业种植方式生产植酸酶，还具有节能、环保、低成本的优势。”•华中农业大学教授张启发院士:转抗虫基因水稻不仅能有效控制螟虫等鳞翅目害虫危害，保障水稻增产，还能减少80%的化学农药用量。•全国政协委员、杂交水稻之父袁隆平院士认为,对转基因作物对人安全的担心“是可以理解的”,但转基因安全问题不能“一棒子打死”。国家对这一问题也很慎重,到现在抗病虫转基因品种并没有放开生产市场,仍处于试验阶段。要想证明抗病抗虫的转基因食品对人类到底有没有问题,目前唯一的办法是用人来做实验。我是第一个报名的志愿者!•中国农业科学院生物技术研究所所长、农业部农作物分子生物学重点实验室主任黄大昉则认为,一方面我们需要大力发展转基因技术,另一方面要加强研究,不断完善这项技术。“这就像核能的发展。10年前,大家对发展核能也很恐慌,但我们知道通过科学严格的管理,可以避免泄漏。如今,核能已成为重要的替代能源,为人类减轻能源压力。”法国环绿色和平组织摧毁5个转基因作物基地GM抗议者在英国绿色和平组织领导者被捕1999绿色和平组织将转基因食品妖魔化绿色和平组织抗议雀巢咖啡事件36“转基因生物风险、决策与评价论坛综述”为了推进转基因生物风险及其决策的相关研究和学术交流，全面深入理解转基因技术、转基因生物风险及其评价，恰当地进行相关决策以便健康地推广转基因生物，中科院研究生院人文学院于2010年5月16日，在玉泉路园区行政楼第一会议室举办了以“转基因生物风险、评价与决策”为主题的“第一次当代科技与社会论坛”。来自中国科学院、中国社会科学院、清华大学、北京师范大学等单位的专家，《科学》（美国）、《科学时报》、《科技导报》、《中国经济导报》、《世界博览》、《新知客》等杂志的记者，环境NGO人士、文化学者和研究生，共70余人出席了本次