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生物技術與信息技術融合發展的現狀及建議

時間:2021-02-09作者:李海洋
本文導讀:這是一篇關于生物技術與信息技術融合發展的現狀及建議的文章,生物技術神經形態和DNA數據存儲為信息技術的發展提供了新的方向,成為了國際前沿的研究方向。信息技術的革新從生物結構中尋找思路成為了當前活躍的新興研究領域,未來20年,生物技術與信息技術融合發展將進入最重要

  摘    要: 信息技術有著采集、處理、儲存、整合、挖掘、解析等功能,在與生物技術不斷融合的過程中,促使生物技術向可計算、可調控、可定量、可預測的方向發展,驅動生物科學的研究進入了更新的范疇。同時,生物體中神經元的信息交換和處理、基因的表達與調控為信息技術的發展提供了更多的思路。生物技術與信息技術的融合發展是社會和時代發展的需要,是工程發展的規律。

  關鍵詞: 生物技術; 信息技術; 融合發展;

  在智能化和大數據的時代背景下,海量數據爆發式增長給信息技術的發展帶來了更多的挑戰,信息技術的計算、存儲和分析得到爆發式的增長,隨之而來的能耗、效能挑戰使得信息技術急需尋求新的發展方向。生物技術神經形態和DNA數據存儲為信息技術的發展提供了新的方向,成為了國際前沿的研究方向。信息技術的革新從生物結構中尋找思路成為了當前活躍的新興研究領域,未來20年,生物技術與信息技術融合發展將進入最重要的時間窗口,發展前景十分廣闊。

  一、生物技術與信息技術融合發展的意義

  (一)是新一輪科技革命的重要驅動力

  1994年,物理學家埃爾溫·薛定諤(Erwin Schr9dinger)發表的《生命是什么?活細胞的物理學觀》一書中關于“是什么讓生命系統似乎與已知的物理學定律相悖”這一問題啟發了弗朗西斯·克里克(Francis Crick)等物理學家對于生命科學的研究,進而發現了DNA雙螺旋結構,開啟了現代生命科學的大門。隨后,物理學家在進一步的探索中提出了信息論和控制論,信息技術和生物技術以此為起點沿著各自的軌道不斷發展。之后,1990年人類基因組計劃的啟動讓人們從信息論、控制論、系統論的角度對生命科學的發展規律得到了新的認識,拉開了信息技術與生物技術融合發展的序幕。

  在生物技術驅動信息技術的發展之前,信息技術在生物技術開發和生命科學研究等領域已經有了規;膽,生命科學研究中的重要工具就是生物信息學,像日本建立的DNA數據庫、美國的生物技術信息中心、歐洲生物信息學研究所是發達國家依據生物技術與信息技術融合發展的前景建立的三大數據庫。人類基因組計劃的開展使得代謝組、基因組、蛋白質組、轉錄組等生命科學組數據急劇增長,信息技術在生命科學研究鄰域有了更大規模的應用。隨著信息技術的推進,生物技術逐漸向著系統化、工程化和信息化的方向發展,和向可計算、可定量、可調控、可預測的循環模式躍升,生命科學研究也進入了“數據密集型科學發現”的第四范式時代。

  信息技術與生物技術的融合,改變了生命科學“實驗驅動”的發展方式,向著“數據驅動”轉型。信息技術的發展得益于生物體的處理過程,受到了更多的啟發,是信息技術發展的有力支撐。近年來,產業界和科技界逐漸將目光投向了生物啟發計算、DNA存儲、神經形態芯片等新的交叉技術領域。相互推動、齊頭并進是當前生物技術和信息技術融合發展的新方式,成為了新一輪科技革命的重要驅動力。
 

生物技術與信息技術融合發展的現狀及建議
 

  (二)是大國和創新企業的戰略選擇

  早在2001年,美國各界就高度關注信息技術與生物技術融合的發展趨勢。在《會聚觀》《21世紀的新生物學》等報告中都提出了生物技術發展的核心驅動力就是信息技術等的會聚。隨之在一些重大計劃像“精準醫學計劃”“腦科學計劃”等計劃中廣泛地融入了信息技術手段。同時,美國的信息技術聯盟對于“半導體合成生物學”這一鄰域十分關注,并實行了重點布局,這些信息技術與生物技術融合的發展舉措,加快了生命科學解決方案的開發,催生了信息技術大數據存儲和分析的需求。除此之外,各大型信息技術企業也紛紛和生物技術企業或醫藥投資者展開了戰略合作,像美國麻省理工學院與Sunovion、拜耳、巴斯夫等醫藥制藥公司開展合作和交流,再比如,泛林公司作為半導體設備龍頭企業,已經在合成生物學研究等方面做好了戰略布局,還有像谷歌、微軟等大型信息技術企業也加強了和大型生物技術企業的戰略合作。

  (三)催生更多的新興布局空間

  生物技術和信息技術的融合發展,像美國的“腦科學計劃”“人體微生物組計劃”等項目,也將促進人工智能、健康、工業等更多的新興布局空間。生命組學與半導體領域的交叉融合,將促進生物電子細胞、CAD/CAM等的發展;與通信領域的交叉融合,將帶來移動醫療、可穿戴設備、電子處方等的發展;與互聯網領域的交叉融合,將帶來人機交互、遠程醫療等的發展;與腦科學領域的交叉融合,將促進計算神經科學、3D生物學等的發展。

  二、生物技術與信息技術融合發展帶來的變革

  (一)新的科學發現

  下級結構形成上級結構,上層設計約束下層單元,這是生命系統和信息系統共有的特征。器官是由組織形成,組織是由細胞構成,細胞是由分子組成,同樣地,在信息系統中,互聯網的作用的發揮得益于計算機,計算機由模塊組成,模塊由邏輯門組成,邏輯門由晶體管組成,二者的結構、功能、系統組成有一定的可比性,部分與整體、運行于調控、結構與功能的規律認知必將引領生物技術與信息技術融合發展的新科學發現。

  (二)新的產業模式

  生物技術與信息技術融合發展在促進催生更多的新興布局空間的意義下,也必將驅動產業新模式的形成,改變傳統工業、農業、服務業的發展模式,帶來新模式、新業態、新產品的創新,帶來像分子影像、生物線路、核酸界面、體外診斷、生物服務等新興產業模式。

  (三)新的技術發明

  生物技術與信息技術融合發展,已經在多個領域催生了技術新發明,生命信息的計算、存儲和感知,啟發了基因合成DNA存儲、人工交互、系統生物學分析等技術的開發,催生了生物納米物聯網、生物傳感器等新技術。也帶動了合成生物學開放語言、生物學計算機輔助設計等設施的開發,使得現代生物的形態得到更大程度的豐富。“會聚技術”發展的動力和源頭也將在生物技術與信息技術的不斷融合發展中找到更多的思路,帶來“涌現效應”。

  (四)新的制造能力

  生物技術工程的發展得益于信息技術的引入,在細胞制造、DNA合成等方面有了強有力的支撐工具,實現了質的突破。比如在DNA的合成上借鑒了半導體技術,像第二代DNA合成儀的開發通過半導體技術引入了基于硅片的噴墨式合成儀器、物理掩膜法原位合成儀器、噴墨式打印DNA原位合成儀器等技術,這一領域也將走出類似“摩爾定律”的路徑。細胞制造產業的發展形成“細胞設計”“細胞制造”“細胞測試”三大環節,需要不同企業協同分工,也將帶來細胞制造的成本的下降。這些方面的突破,也為信息技術的帶來了新的空間。信息系統的發展實現向“小規模”“高效能”“細胞啟發”方向發展,“生物—半導體混合系統”也相比于傳統的電子設備具有前所未有的能力。

  (五)新的健康理念

  “生物—社會—心理—環境”的醫學模式在生物技術與信息技術融合發展之下有了更加強大的技術支撐,促進該種醫學模式以“健康”為中心取代“疾病”為中心;以“全方位干預健康影響因素”取代“單一要素防控”;以“實踐優勢”取代“理論優勢”;以“治已病”取代“治未病”;以“維護全生命周期健康”取代“服務部分人群”;以“社會整體聯動”取代“依靠衛生健康系統”等,全面利用健康主動管理、健康狀態辨識、健康制動促進、健康風險評估等技術支持“每個人都是自己健康的第一責任人”這一理念,構建起支撐各年齡階段的、各社會群體的健康信息平臺,實現信息共享,推動預防、治療、康復的一體化發展,早日實現健康管理“一人一方案”“一人一路徑”的個性化、精準化、數字化的新健康理念。

  (六)新的環境要素

  細胞、組織、器官、系統,再到土壤、水源、大氣,包括近人體空間的小環境。不論是人體的內環境,還是傳統的外部環境抑或是環境“新要素”,都是人體健康的重要環境要素,基于生物技術與信息技術的融合,使得這些在以往研究較少的環境“新要素”與傳統的環境要素結合起來,開發新技術、新標準、新場景、和新體系,充分研究新環境要素在社會安全、人體安康、家庭安居中的更多作用。

  三、我國生物技術與信息技術融合發展的現狀

  我國生物技術與信息技術融合發展與發達國家相比,依舊存在布局上的短板,過于依賴國外生命科學信息分析和采集儀器,在生物技術與信息技術融合發展帶來的模式和范式等方面缺少進一步的認知,前沿技術布局的系統性還有待深入。比如在DNA存儲這一領域,依舊還面臨著諸多的技術問題,現有的編解碼方式及糾錯機制、生物技術、隨機存取等有待進一步的改進。

  四、促進生物技術與信息技術融合發展的建議

  (一)布局前沿引領技術

  以類似“摩爾定律”的性能升級路徑為導向,對3D生物學分析和仿真技術、DNA存儲與計算技術、人機智能交互技術、細胞半導體界面等前沿技術領域,制定關鍵技術戰略發展路線圖,采取工程化的模式,在戰略發展路線圖的基礎上實施前沿技術的布局,實現自主“所有”。

  (二)開發關鍵共性工具

  通過對環境和體系的模擬驗證、儀器的分析、軟件的設計,針對跨尺度、高緯度、多模態的生命信息采集工具,仿真感知所需基礎模塊、原件等,率先布局開發關鍵共性工具,支持發展所需,在工具的循環中,驅動工具開發能力的提升。

  (三)構建使能技術平臺

  構建基于人工智能和大數據的智能化細胞制造平臺、生命健康數據平臺等使能技能平臺,支持協同“所創”,推動理念的融合,促進會聚范式的形成,實現工程協同和技術集成。

  五、結語

  信息技術與生物技術的融合發展為改善和創造新的技術、解決技術難題、促進技術改革提供了新的原理和方式。生物技術與信息技術融合發展是新一輪科技革命的重要驅動力,是大國和創新企業的戰略選擇,有助于催生更多的新興布局空間。信息技術與生物技術的融合發展將會帶來科學新發現、技術新發明、健康新理念和環境新要素等的變革,信息技術與生物技術的融合發展已成為國際前端研究方向,其發展前景廣闊,必然會帶來顛覆性的技術與應用。

  參考文獻

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  [3]劉曉,王躍,毛開云,范月蕾,陶誠,陳大明.生物技術與信息技術的融合發展.中國科學院院刊,2020(01):34-40.

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