作者:黄辛 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/7/25 14:29:00
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科学与技术前沿论坛聚焦“代谢科学”
专家学者齐聚申城共话“代谢科学驱动人类未来”

 

科学网7月25上海讯(记者黄辛)7月25日至26日,中国科学院学部主办、上海交通大学等协办的“代谢科学”前沿论坛在上海举行,包括杨胜利、赵国屏、邓子新、欧阳平凯、谭天伟等来自全国各地近百位专家学者,以“代谢科学驱动人类未来”为主题,以二十多个精彩的战略报告结合四场圆桌会议讨论,充分展示了代谢科学的集聚式布局在未来生命科学的理论创新和高端生物产业创新发展中所处的关键地位,增进了对代谢科学体系建设的深度认知。

代谢科学作为生命科学基础与应用研究理念的聚合,近年来得到快速发展,从对原核生物基因调控体系的深度解析,发展到用CRISP/Cas9系统对高等生物的基因进行精准编辑;从天然产物合成机制解析,到合成生物体系产生新型抗生素药物等等,它已发展成为驱动解决人类面临的健康顽疾、粮食安全、环境保护和绿色制造等方面重大科学和技术问题的推手。论坛共同主席、上海交通大学教授邓子新指出,近年来基因组、蛋白质组、代谢组学以及相关科学技术的快速发展,已推动生命科学快速步入大数据时代,代谢科学通过由浅入深和循序渐进地积累、认知和利用这些大数据实现众多代谢体系从分子水平向网络化互作集成、从认识分子作用机制向设计构建新生物体系、从基础研究向应用科学等方面的纵深质变,已经迎来了前所未有的发展机遇。

代谢科学领域研究在我国具有扎实的研究基础、广阔的应用价值和社会需求。挽救了无数人生命的第一种抗生素--青霉素、抗疟疾的青蒿素、抗肿瘤明星分子紫杉醇以及各种治疗代谢疾病的药物,绝大部分直接、间接来自于天然产物高度智能化的代谢过程,因此代谢科学研究的每一项重大突破,都带动了微生物或植物天然产物药物的跨越式发展。2015年诺贝尔生理与医学奖授予了青蒿素的发现者屠呦呦和阿维菌素的发现者大村智(Satoshi Omura)和William C. Campbell, 是又一个代谢科学驱动的天然产物研发迎来第二个黄金时代的信号。 以青蒿素为例,从原产于中国的黄花蒿中提取的青蒿素是治疗疟疾最有效的一线临床治疗药物之一。通过代谢调控、代谢工程等多维度研究,成功实现了黄花蒿中青蒿素含量的大幅提高,并使生产成本远低于国外利用酵母生产青蒿素的成本。相信借助于代谢科学驱动的合成生物学的途径与策略,完全可以解决疟疾治疗用青蒿素顶端资源供应的可再生性,彻底解决价格昂贵的世界性难题。同时,我们应充分吸取以往的天然产物研发中的惨痛教训,把握知识产权的链端:没有核心技术、没有自主知识产权, 就没有国际市场上的话语权。由于我国科学家在阿维菌素这种高效低毒生物杀虫剂研发过程中坚持以我为主,研发结合,才不断突破了国外的核心技术和知识产权,赢得了我国目前能够全面占领全球阿维菌素市场的局面。在我国如何实现从天然产物的资源大国到药物强国转变的过程中,代谢科学体系的建设尤其值得引起高度重视,它无疑是实现这个创新转变最值得依赖的核心学科,也是全球技术与资源对接,基础与产业互动方面最为活跃的学科。

同时,它在医学健康领域的辐射力也不可小视,例如,在包括人类本身在内的哺乳动物体内,有着数以千万计、功能各不相同,而且瞬息万变的代谢物质,他们的种类、浓度等与生理和健康密切相关,由此定量代谢组学分析就成为深入研究哺乳动物生理学和各种疾病的病理分子机制的重要途径。由于代谢物质的浓度会在一个很大的范围内动态变化,虽然在过去的十几年中,代谢组学研究技术已取得了巨大的进步,但离实现同时精确定量多数代谢物质的目标仍有距离。在更高效、更灵敏和更精确的分析技术与设备开发出来之前,如何发挥已有技术作用,就是一个较为现实的途径。通过将核磁共振与质谱两种互有长短的技术串联使用,我国的科学家们已能够在重大疾病发生发展分子机制以及药物干预机制的研究中实现更丰富和更准确的信息采集。新机遇带来新挑战,实验数据海量化这一国际科学界共有的现象日益提示我们,大数据的积累和分析能力将是未来代谢科学研究发展的主要瓶颈和重要方向之一,必须尽早抓起。

生物制造是以生物体机能进行大规模物质加工与物质转化,其实质是以生物催化代替化学催化工艺路线,是完全有别于石油化工路线的新模式。生物制造具有低碳、可循环、绿色、清洁等典型特征; 是未来工业发展解决日益紧张的化石资源和日益加剧的环境污染的必然选择。如今,目前生物制造已应用于氨基酸、维生素、有机酸、医药中间体等生产等300多个工业生产过程。代谢科学在“光驱动细胞工厂”研究方面也具有令人振奋的应用前景,例如蓝藻的代谢潜能是一个巨大的、有待深入开发的宝库。基于系统的基础研究,可对这类生物的光合作用系统、代谢网络途径等系统进行定向改造,可创造出以太阳光为动力的“细胞工厂”,为人类高效、环保、可持续地生产各类药物、精细化工产品等各类物质,从而根本解决能源、环保以及碳排放等难题。南京工业大学教授欧阳平凯指出,目前主要用作燃料的生物质,可以转化为重要的新型功能材料,如生物基聚氨酯、聚己内酯、生物尼龙等生物材料在服装及医用材料等方面有着非常广阔市场前景, 我国如能率先攻克生物质转化这些生物材料产业化生产难关,那就是为中国制造培育一个未来的新增长亮点,欧阳院士认为这一天并不会很遥远,十年左右就会有重大进展和突破。作为目前造成空气等环境污染的主要元凶之一的生物质,其负面角色事实上完全可以通过代谢科学研究的深入进行而获得转变,变污染源为资源。如将其转化为甲烷,节能、减排、资源化,更是一举三得。因此,代谢科学在环保方面也将会有一番大的作为。

北京化工大学教授谭天伟认为,生物制造将是未来各国竞争的制高点。预计到2030年,大约将有35%的化学品和其他工业产品来自以生物制造为代表的工业生物技术,其在生物经济中的贡献率将达到39%。目前全球工业生物技术研发投入较低,在工业生物、农业生物和医药生物中的总量仅占2%,远低于医药生物的87%。 但生物制造产业技术投入小、见效快、产出大,是能迅速形成产业的技术。 如太阳能和二氧化碳通过光合作用合成生物质,再由生物质合成化学品,使用完后分解产生二氧化碳,是未来工业循环经济、可持续发展的方向。

中科院上海生物工程研究中心研究员杨胜利认为,作为驱动未来生命科学与产业发展的引擎,代谢科学从更宽广的视角围绕生物体代谢网络中的物质转化、能量转换、信号传递等过程,从多种代谢体系相互作用的高度,对生命过程进行了综合的解析、预测和人工设计,揭示了代谢网络“计量、定向、时空”的内在规律。代谢科学已开始得到许多发达国家政府、科技和企业界的高度关注。美国、欧洲等发达国家和地区都启动了新一轮科学计划,如欧盟“地平线2020”项目关注了多项该领域取得的突破。哈佛大学、剑桥大学、麻省理工学院等一批国际顶级研究机构近年来相继组建了代谢科学及相关前沿领域的专门研究机构。但是目前代谢科学原创性成果产生与核心技术转化的瓶颈在全球范围内仍待突破。加强代谢科学基础研究,构建较为完整的代谢科学体系,将加深我们对生命过程的深度认知,并将极大促进代谢潜能的发挥及代谢功能的再塑;相关理论和技术的重大突破,必将为人类面临的健康、粮食安全、环境保护和现代生物制造等方面的重大问题提供解决方案。

近年来,生命科学不仅引入高通量、单分子技术、纳米技术等新技术、新方法,同时,数理科学“定量概念”、工程科学“设计概念”、合成化学“合成认识概念”等思路和策略也正与生命科学发生着深刻的交叉与融合。中科院上海生科院植物生理生态研究所研究员赵国屏院士等与会专家认为,由此会开启未来生命科学以系统化、定量化和工程化为特征的“多学科会聚”研究范式,为更深入系统地认识生命、更精准有效地改造生物体提供了前所未有的机遇。但目前对代谢过程的微观过程与生物个体宏观表现的联系、代谢网络中局部调控与全局响应等的了解仍只是冰山一角,尤其是多学科交叉的理论及技术平台等发展与代谢科学整体发展极不相称。必须在强化代谢科学基础研究的同时,构建结构合理、完整的代谢科学体系,从而推进我们对生命过程的深度认知,最大限度实现代谢潜能的发挥与代谢功能的再塑。相关理论和技术的重大突破,必将对健康、食品、环保、农业、化工等行业产生颠覆性影响。

本次论坛上,国内代谢科学领域的专家们一方面就微生物、植物、动物等各类生物体独特的代谢网络和调控规律各抒己见,同时,就代谢科学研究急需的共性交叉技术及其发展策略达成了共识生命科学研究、生物技术创新、生物科技成果转化体系不仅是支撑现代社会发展不可或缺的知识技术创新链,更是思想文化发展链和社会经济价值链。专家们满怀信心地畅想了代谢科学明天的美好愿景,并为实现这一目标勾勒了代谢科学研究系统组织和科学布局蓝图。由于今天的代谢科学战略布局关系到明天生命科学纵深发展,乃至不远的将来我国生物技术新兴产业的发展水平,院士、专家们一致呼吁国家、生命科学科研人员以及社会方方面形成共识和合力,努力使我国代谢科学能够率先独树一帜,进而占据国际战略引领地位。

 
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