合成生物学与国防安全 | 中国合成生物学2035发展战略

合成生物学是在工程科学“自下而上”理念的指导下，以创建特定结构功能的工程化生命或实现生命过程的工程化为导向，综合系统、合成、定量、计算与理论科学的手段，以“设计— 构建—测试—学习”的迭代研究原理认识生命的理论架构与方法体系。

▲ 合成生物学“设计—构建—测试—学习”循环策略涉及的主要关键技术

合成生物学不仅以崭新的思维方式和强大的创造力开启了生命与非生命的对话，而且通过与数理科学的“定量概念”、工程科学的“设计概念”、合成科学的“合成认知概念”等理念和策略交叉融合，推动生物学向工程科学转化。它将生命系统运动规律的发现认识过程和生物技术的发明创造过程， 成功建造于工程化的“设计—构建—测试—学习”的平台之上，并迅速向社会生活和经济生产的各个层面渗透。从发展趋势看，合成生物学有可能为改善人类健康，解决资源、能源、环境等重大问题提供全新的解决方案，为现代工业、农业、医药等产业带来跨越性乃至颠覆性发展的机遇。

▲ 合成生物学在各领域的应用

本文重点介绍“合成生物学技术是保障国家安全的重要科技支撑”。

当今，国际局势日益复杂严峻，国防力量往往能够反映出一个国家的工业和科技水平，最尖端的科技往往会被第一时间应用到国防领域，合成生物学在军事科技领域也有着极大的应用潜力和广阔的应用前景。

1. 合成生物学在国防领域的应用前景受到高度关注

与很多新兴技术一样，合成生物学在国防领域也展现了巨大的应用潜力，正成为包括美国在内的世界主要大国竞相发展的领域。

美国国防部在其2013 ～ 2017 年的科技发展“五年计划”中提出包括合成生物学在内的未来重点关注的六大颠覆性基础研究领域。颠覆性基础研究领域是指对近期与未来美军的战略需求和军事行动能够产生长期、广泛、深远、重大影响的领 域。美国国防部高级研究计划局（DARPA）高度重视合成生物学领域及其军事应用，是美国在合成生物学领域最重要的资助机构。2011 年，DARPA 宣布开展“生命铸造厂”（Living Foundries）项目，旨在将标准化的生命元件组装为全新的工程微生物，再用于实现各种军事应用。后面又相继资助了生物控制（Biological Control）、安全基因（Safe Genes）、老化混凝土建筑的仿生修复（Bio-inspired Restoration of Aged Concrete Edifices，BRACE）等生物系统的工程化应用项目。

2016 年，美国陆军发布《2016—2045 年新兴科技趋势—领先预测综合报告》《2016—2045 年新兴科技趋势报告》，明确了包括“合成生物科技”在内的20 项最值得关注的科技及发展趋势，并认为“合成生物科技的进步，将促进人类跨入生物科技的新时代”。2017 年，美国国防科学委员会成立生物学特别工作组，目标是探索和阐明现代、新兴生物科学进展的机遇和潜在风险，增强美国国家安全和防御能力。其重点关注现代生物科学发展最迅速的领域，特别是有可能为国防创新提供新机遇的基础技术领域，或被对手掌握威胁美国国家安全的技术领域。2020 年6 月，美国工程生物学研究联盟（EBRC）针对工程生物学在国防领域的应用和需求，发布《通过工程生物学实现国防应用：技术路线图》（Enabling Defense Applications through Engineering Biology: A Technical Roadmap）报告，报告提出了工程生物学在国防方面的四大应用领域，主要包括：生产相关应用的生物制品和材料、构建工程生物系统、感知和响应人类与环境的相关信号、改善和增强人类与相关系统的性能等。同时，该路线图认为，材料、传感器、人体性能和保护的创新应用成果能为部队环境和运行带来变革性影响。这些应用可以通过工程生物学先进的制造能力、规模的扩大和实施来实现、。

▲ 工程生物学在国防领域的应用

英国国防部在2019 年9 月发布的《国防科技框架》，对推动英国国防现代化及军事能力变革的重要技术进行战略性评估，重点关注先进材料、人工智能等七大技术群，并阐述其最具潜能的军事应用领域，以支撑英国国防部“技术引领的现代化”战略，积极推动先进新技术的前沿军事应用。在先进材料领域，重点发展纳米技术、先进制造材料、合成生物学的相关应用。英国国防部防务企业中心（Centre for Defence Enterprise，CDE）还通过征集合成生物学新材料竞争项目，旨在利用合成生物学方法，生产能解决国防问题的新型材料。新材料的应用将增强防卫和安全性，其优先研究领域主要包括：①防护应用，如新装甲材料；②自愈材料；③增强耐腐蚀性；④新型黏合剂等。

2. 合成生物学在国防军事领域的应用

合成生物学技术在军事国防安全领域的应用主要体现在以下几个方面：

• 一是构建新的代谢系统，实现特殊物质的生物合成；

• 二是构建新的生物信号系统，满足高效传感和探测的需求；

• 三是构建新的优势物种，调节、控制微生物群落，实现对战场环境有害因素的治理，以及对有利因素的最大化利用。

目前，合成生物学正在加速渗透到国防安全和武器装备研制中，尤其在军用医药、军用材料、军用能源和军用生物传感等领域，展现巨大的应用潜力。

• 一是用于军用医药研发，利用合成生物学技术，开发生产更有效的疫苗、研制新型军队特需药品等，将极大促进包括军事医学在内的生物医学的发展。

例如，DARPA 与合成生物学公司银杏生物（Ginkgo Bioworks）合作开发生产的益生菌，可帮助士兵抵御疾病；DARPA 开展的“生命铸造厂”“加速分子发现”等系列项目，以实现士兵身体损伤快速修复、战场药物快速合成等目的。

▲ 合成生物学与疫苗设计

• 二是用于设计和改造军用材料，发展基于人工生物体系的高强度特殊性能的材料，对微生物进行定向改造，使其具有特定功能，以满足军事需要。

例如，美国能源部高级研究计划局（Advanced Research Projects Agency- Energy，ARPA-E）支持科罗拉多大学和普林斯顿大学开展“利用创新、节能、合成技术实现聚合物水泥”项目，研发的“生物砖”在俄亥俄州赖特- 帕特森空军基地建造了一个232 m² 的跑道原型；DARPA 最新启动的“礁防御”（Reefense）项目，致力于开发能自我修复的结构及材料，以减轻沿海洪水、侵蚀和风暴对海岸线的破坏。

• 三是用于开发军用新能源，未来武器装备不再需要大量的石油能源，只需携带少量的合成生物体，就可以将空气中的CO₂ 转化为具有特定用途的高能化学品和高能燃料，用于车辆、军舰、飞机燃料的供应，将极大提高部队的机动性，扩大作战范围。

例如，美海军空战中心武器分部（Naval Air Warfare Center Weapons Division，NAWCWD）与英国曼彻斯特大学合作， 开展在海水中生物合成高密度导弹燃料的研究，加速从实验室到战场应用的转化。

• 四是用于军用生物传感器，基于合成生物学分子机器的设计和合成，发展基于生物活性物质与信号转换电子器件的特殊生物传感器，用于有毒有害物质的探测、战场环境危害因子的检测和监测、战场环境修复，以及士兵健康状况监测、心理及生理评估等军用领域。

美国俄亥俄州空军研究室在大肠杆菌中设计和构建的一种新型核糖开关，可实现对2,4- 二硝基甲苯（DNT） 的特异性检测，以减少探测带来的人员伤亡；DARPA 资助的生物能力测量（Measuring Biological Aptitude，MBA）项目，通过支持通用电气研发中心、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和佛罗里达大学人机认知研究所，拟开发一种可穿戴的微针系统，对执行任务的官兵进行实时分子靶标监测，以提高作战人员的选拔、训练、任务调整和任务后恢复等军事效能。

本文摘编自《中国合成生物学2035发展战略》[“中国学科及前沿领域发展战略研究(2021-2035)”项目组编. 北京 :科学出版社，2023.5]一书“第二章 合成生物学的科学意义与战略价值”，有删减修改，标题为编者所加。

(中国学科及前沿领域 2035 发展战略从书)

ISBN978-7-03-075564-3

责任编辑:牛 玲 陈 倩 赵小林

合成生物学因其所具有的革命式、颠覆式创新潜力，巳经成为世界各国必争的科技战略高地，正在引发新一轮科技与产业国际竞争。《中国合成生物学2035发展战略》力求综合性回顾合成生物学的发展历程并探讨其学科定义，界定学科内涵；多方位反映合成生物学的发展现状及其促进“会聚”研究的科学意义与提升人类“能力”的战略价值；深人分析该新兴学科自21世纪初创立到今天逐步厘清的关键科学问题、技术瓶颈及社会核心需求，寻求升级发展所面临的严峻挑战，以及抓住“大数据+人工智能”和“互联网+”开源共享平台蓬勃发展的机遇，实现突破，在科技、经济、政治、社会一并进人“百年未有之大变局”的背景下，“不负韶华”承担历史使命的战略思考与策略布局；为进一步强化合成生物技术战略科技工程力量，推动我国合成生物学高质量发展，推动合成生物学及会聚”研究的生态建设，高效率服务科技与社会发展，提供政策建议的参考。

（本文编辑：刘四旦）

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