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1、-1-2023 年年 6 月月 5 日第日第18期总第期总第 597 期期美国生物技术和生物制造的远大目标：利用研发推进社会目标的实现美国生物技术和生物制造的远大目标：利用研发推进社会目标的实现【译者按】【译者按】2023 年 3 月，美白宫科技政策办公室发布美国生物技术和生物制造远大目标。报告概述了美国未来 5 到 20年内生物制造的发展方向，并在提高产业链供应链弹性、促进生命健康产业发展、提升食品生产供给能力、优化气候变化解决方案、推进生物经济创新发展方面，提出了共 21 个方向 49 个具体目标。赛迪智库消费品工业研究所对该报告进行了编译，期望对相关部门有所帮助。【关键词】【关键词】生物

2、技术 生物制造 中长期目标-2-当前，世界正处于由生物技术和生物制造推动的工业革命的风口浪尖。通过生物制造，美国各地的可持续生物质可以转化为新产品，并为基于石油的化学品、药物、燃料、材料等生产提供替代方案。为响应拜登总统 2022 年 9 月有关“生物技术与生物制造”的行政令，能源部（DOE）、农业部（USDA）、商务部（DOC）、卫生与公众服务部（HHS）和国家科学基金会（NSF）分别牵头编制相关文件，详细阐述未来 5 到 20 年内如何利用生物技术和生物制造来实现“提高产业链供应链弹性”“促进生命健康产业发展”“提升食品生产供给能力”“优化气候变化解决方案”以及“推进生物经济创新发展”等社

3、会目标。一、提升产业链供应链韧性一、提升产业链供应链韧性希望通过生物技术和生物制造创造更加灵活、适应性强的生产方式，以应对近年来全球地缘政治冲突、新冠疫情暴露出的产业链供应链问题。为此提出三方面中长期目标：（一）大力推行生物制造方式一是改善关键药物的供应链。（一）大力推行生物制造方式一是改善关键药物的供应链。在 5 年内，部署大量的合成生物学和生物制造能力，生产至少 25%的小分子药物的活性药物成分（API）。二是促进化学品生产更加绿色可持续。二是促进化学品生产更加绿色可持续。在 20 年内，通过可持续和具有经济效益的生物制造途径至少满足美国化学-3-品需求的 30%。三是加快生物制品的开发。

4、三是加快生物制品的开发。在 20 年内，将新的生物技术应用于生物制造的工作流程，在至少 3 个已知存在供应链瓶颈的行业中，每个行业实现生产 10 种新的生物制品。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：为实现上述目标，拟开展以下重点研发：开发具有成本竞争力的替代性生物制造途径，比如基于细胞的流程和非细胞体系，用以生产关键的活性药物成分、化学品和其他材料。设计和测试可持续和具有经济效益的制造能力和功能，以支持对商品材料的大规模生物制造。推进合成生物学工具和创新的生物加工手段，以回收/获取关键矿物，包括但不限于锂和钴。进行生命周期成本分析，以确定经济上最可行的生物制造模式，同时确保生物安全、生物安保和

5、生物保护。制定生命周期管理方法，以实现更可持续的生物制造，并开发生物制造解决方案，通过对现有产品和其他废弃物或副产品的回收或再造，来推进循环（生物）经济。开发模型来预测最有前景的化学生产流程，寻求以生物制造替代方案实现相同或更大的规模或质量，同时最大限度地提升可持续性。利用人工智能提高工程生物学平台技术的可用性，以加快并优化新流程和新产品的研发与推广。应对当前的规模化挑战和监管科学要求。（二）提升供应链韧性（二）提升供应链韧性-4-一是提高预测能力。一是提高预测能力。在 5 年内，预测至少 50%的供应链薄弱环节并实时调整生物制造方向，从而解决瓶颈问题。二是实时调整生物制造流程。二是实时调整生

6、物制造流程。在 5 年内，将监测系统投入使用，以实时评估和调整生物制造参数。三是自适应供应链。三是自适应供应链。在 20 年内，部署先进的生物制造平台和能力，一旦发现供应链瓶颈，在一周内做出响应。四是供应链灵活性。四是供应链灵活性。在 20 年内，实施 80%可行的生物制造技术，以满足国内的产能需求。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：为实现上述目标，拟开展以下重点研发：开发预测模型，以确定从生物制造替代方案中受益最多的供应链瓶颈（比如高需求商品化学品或材料），同时预测市场趋势和劳动力需求（比如技能、地理环境、常规和扩增的能力），以应对生物制造和供应链瓶颈问题。开发准确的模型，以整合分散或分布

7、式生物制造生态体系以及辅助的信息技术基础设施，包括国内能力分布图，并预测生物原料的可用性和使用影响，以实现按需的本地生产。开发创新型线上、在线和过程中测量技术，包括基因细胞株和活体评价系统，以实现对质量属性的实时评估和调整。开发数据集、标准和预测能力（包括使用人工智能、机器学习和数字孪生），以便在适当的访问控制和数据安全的情况下，实现流程控制和供应链数据的实时反馈回路与分析。推进可无缝-5-集成自动化、软件、设备和人员的智能生物制造，以提高流程速度、可靠性和效率。开发平台技术和标准，以加快生物制造设备、部件和耗材的开发、生产以及互操作性，并改进生物制造流程和产品的表征和测试。开发标准的微生物菌

8、株、非细胞体系、关键试剂、已知机能和性能的序列，以及可以按需快速生产、分发并扩大规模的供应链分子与化合物。制定材料和试剂的标准化质量指标，以实现不同供应商之间互操作性，并制定先进的算法，以便在供应链受限或中断时，能够使用替代原料或流程实现自适应储备。开发创新设计、稳定的质量管理体系和标准，使生物制造设施得到更有效的利用。开发可用于有效改造城乡地区现有生物制造设施的技术和相关策略。开发模块化的生物制造能力，以扩大、缩小或横向扩展规模。开发一次性技术，以及符合目标且端到端的生物制造平台，从而实现生物体和流程之间的快速切换。（三）加强商业标准与数据基础设施建设一是加强数据基础设施建设。（三）加强商业

9、标准与数据基础设施建设一是加强数据基础设施建设。在 5 年内，通过数据标准、工具和能力的进步与整合，启动数据基础设施，包括有效且安全的数据共享机制。二是加强标准基础设施建设。二是加强标准基础设施建设。在 20 年内，建立稳固的标准基础设施，以实现生物制品和流程的快速发展与部署。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：为实现上述目标，拟开展以下重点研发：-6-支持开发和集成数据标准、工具和能力，以创建符合政府开放科学措施的数据基础设施，同时尊重知识产权、保护数据安全，并与国内和国际各相关方持续协调其他需求。创建数据标准（例如，本体、模式和元数据结构），以便开发、集成和利用先进数据分析（包括人工智能和

10、机器学习），并将数字孪生方法投入使用。设立基准和工具，以便验证或核实材料、系统、流程、设备、软件以及实验室和现场技术数据。开发分析方法标准以及所依托的测量基础设施，以增进复杂生物系统的可比性。制定生物加工标准以支持新兴的生物制造能力，包括材料、单元操作、生物反应器和相关的互操作性。与美国制造业研究所和其他公开论坛合作，将行业基准、工具、能力和成熟做法转化为国际标准，以确保标准能够促进创新，而不是在无意中扼杀创新。二、促进生命健康产业发展二、促进生命健康产业发展希望通过推动生物技术和生物制造进步，促进生命健康产业发展。为此提出五方面中长期目标：（一）发展无障碍健康监测一是确定健康的生物指标。（一

11、）发展无障碍健康监测一是确定健康的生物指标。在 5 年内，利用新型传感器确定至少 10 个下一代健康生物指标，并作为标准健康生活和预防医学实践的一部分来进行监测，比如免疫能力或微生物组成。二是二是-7-综合健康诊断。综合健康诊断。在 20 年内，开发并分发一种简单易用、价格合理的家用诊断分析工具（“健康工具包”），利用新的健康生物指标，在诊所和社区发挥作用，并满足不同人群的需要，将健康结果的误差减少 50%。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是在发现下一代健康生物学指标方面：为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是在发现下一代健康生物学指标方面：开发新型传感器及其阵列，用以检测新的生物学指

12、标。将纵向研究与人类基础生物学研究相结合，并开发相关的人工智能/机器学习模型来整合数据类型，以确定健康和老龄化标志物。与分散式临床研究和行业伙伴密切合作，设计并推出新的大规模研究模型，用于下一代生物标志物的发现和验证。二是在发展综合健康诊断方面：二是在发展综合健康诊断方面：开发微型检测器、传感器以及先进易用的多路检测仪表盘。推进新型可穿戴远程传感器、电子病历和其他生理数据来源的验证和商业化，预测疾病的易感性并监测其长期后果。考虑健康工具包的数据基础设施，包括如何利用数据来改善健康，并与初级保健医生或其他临床医生进行共享，同时继续强调保护患者隐私和数据安全。（二）发展细胞疗法等精准医学一是提高多

13、组学数据收集能力。（二）发展细胞疗法等精准医学一是提高多组学数据收集能力。在 5 年内，从包含不同人群参与者的大型样本中收集多组学指标，并确定哪些指标与至少 50种发病率高且影响大的疾病的诊断和管理最为相关。二是实现个二是实现个-8-体化多基因组学。体化多基因组学。在 20 年内，开发用于诊断、预防和治疗的分子分型工具，以解决美国疾病相关死亡的主要原因，并通过开发1000 美元的多基因组学方法来确保上述分子分型工具的可行性。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是在收集多组学数据方面：为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是在收集多组学数据方面：开发新型传感器，比如体内DNA 记录器，能够收集

14、更多的数据，从而推动多组学方法的广泛采用。通过对新型高通量技术的定向投资来降低成本，包括合成生物学和非细胞方法，重点是以每份样本不超过 1000 美元的成本实现整个组织的空间分辨率多组学表征。二是在实现个体化多基因组学方面：二是在实现个体化多基因组学方面：制定多组学数据安全和使用契约，以保护患者隐私。创建标准化的多组学数据收集和分析方法，以支持预测模型。开发临床研究方法，将多组学与环境、生活方式和其他表型数据相结合，以实现临床上可行的患者分类、诊断和治疗。（三）细胞疗法的生物制造一是提高药物疗效。（三）细胞疗法的生物制造一是提高药物疗效。在 5 年内，扩大用于开发细胞药物的技术，使患者体内的细

15、胞活性达到 75%以上。二是实现规模化生产。二是实现规模化生产。在 20 年内，增加细胞疗法的制造规模，以扩大使用范围、减少医疗不公平现象，并将细胞疗法的制造成本降低至十分之一。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是在提高药物疗效方面：为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是在提高药物疗效方面：开发新的基因编辑技术和遗传编-9-程，用以创造下一代细胞疗法。将合成生物学的创新成果与新型非病毒递送载体（比如脂质或聚合物纳米粒）搭配，以进一步提高两者的效用和有效性。开发稳定的临床和基因组指标，以确定可能适合细胞疗法的患者，并开发计算模型，以判断和预测细胞疗法中重要编程质量的疗效。二是在扩大制造规模

16、方面：二是在扩大制造规模方面：按照细胞类型采用不同细胞疗法生产设施的方法与标准，减少成本和等待时间。开发模块化、平台工程化的细胞技术，以及针对特定患者的配方。在商业级生产设施中测试用于下一代生物技术产品的全新生物制造方法，并排除相关风险。与临床医生和其他医院工作人员合作制作培训材料，以确保不同医疗设施之间护理资源的公平性。（四）人工智能赋能生物制药一是提高生产速度。（四）人工智能赋能生物制药一是提高生产速度。在 5 年内，利用国家资源实验室网络，来解决现有生物药在自主生产和生物生产方面的障碍，将 10 种常见处方药物的生产速度提高 10 倍。二是增加制造业的多样性。二是增加制造业的多样性。在

17、20 年内，将人工智能和机器学习（AI/ML）技术纳入国家资源实验室网络，用于设计新型生物药，并将新型药物的发现和生产速度提高 10 倍。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是在提高生产速度方面：为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是在提高生产速度方面：发展国家生物制造资源网络，包-10-括三大核心组成部分：（1）一套分布式、模块化的下一代自主实验室，侧重于各项能力，比如高通量筛选、相关代谢物的灵敏在线传感器、下一代测序、高内涵成像、聚合酶链反应诊断等。（2）一个基于云的虚拟研究机构，所有分布式的自动化实验室都直接与该机构互连。（3）一个将物理实验室与虚拟云环境相结合的联合模式，以便利用人

18、工智能方法来生成基于先前实验的假设，然后在物理实验室环境下进行测试。二是在增加制造业的多样性方面：二是在增加制造业的多样性方面：创建统一和标准化的实验数据，让美国各地的研究人员均能够近乎实时地获取，以帮助加快生物药的开发。开发新的人工智能/机器学习方法来设计每一类药物（例如，小分子、生物制剂、肽类和细胞疗法）。开发比传统技术的检测极限、准确度和精密度高 10 倍的技术。在生物制造过程中开发和使用新技术，对代谢物、物理参数和生物制品进行在线检测。（五）开发更先进的基因编辑技术一是提高基因编辑效率。（五）开发更先进的基因编辑技术一是提高基因编辑效率。在 5 年内，进一步开发用于临床的基因编辑系统，

19、在最大限度地消除副作用的前提下，治愈 10 种已知的遗传疾病。二是实现规模化。二是实现规模化。在 20 年内，加强生物制造生态体系，每年至少生产治疗性基因编辑药物 500 万剂。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：为实现上述目标，拟开展以下重点研发：-11-一是在提高效率方面：一是在提高效率方面：开发基因递送载体、基因编辑器和编辑系统。合作开发标准检测方法，以评估体外和体内的编辑效果，并利用人工智能/机器学习技术，创建基因编辑器和递送载体配对的标准方法。成立一个涵盖标准制定、监管规定、工业制造能力以及学术研究等各领域专家的协商小组，制定统一的基因编辑标准。二是在提高制造能力方面：二是在提高制造

20、能力方面：创建化学、计算机、体外和体内的核心表征设施，用以评估基因编辑期及其递送载体的安全性和有效性。安装接收、储存和准备基因疗法所必需的设备，以应对临床基础设施问题。开发可大规模生产的基因编辑平台技术，然后直接应用于多种疾病治疗。三、提升食品生产供给能力三、提升食品生产供给能力希望利用生物技术和生物制造，为美国食品生产系统面临的诸多挑战提供变革性解决方案。为此提出三方面中长期目标：（一）提高原料生产力一是提高农业生产力。（一）提高原料生产力一是提高农业生产力。在未来 10 年内，实现农业全要素生产力的增长，以满足全球粮食和营养安全的需求，同时加强对自然资源的利用和保护，未来 10 年内实现农

21、业生产力提高 28%的全球目标。二是增加气候智能型原料生产和生物燃料的使用。二是增加气候智能型原料生产和生物燃料的使用。到2030 年，增加常规及替代农业和林业原料的气候智能型生产，用-12-于生物制造、生物基产品和生物燃料；将生物燃料的生命周期温室气体强度降低 50%；将美国液体运输燃料中的整体生物燃料混合率提高 50%。三是减少氮排放。三是减少氮排放。在未来 5 年内，开发减少农业氮排放的技术，包括提高植物的氮利用效率，以及改良肥料产品和生产方式，从而减少对施用氮肥的需求。四是减少甲烷排放。四是减少甲烷排放。到 2030 年，减少农业甲烷排放，包括增加粪便管理系统的沼气捕集和利用，减少反刍

22、牲畜的甲烷排放，以及减少垃圾填埋场食物残渣的甲烷排放，从而实现美国将温室气体排放减少 50%的目标，以及将甲烷排放减少 30%的全球目标。五是减少粮食损失和浪费。五是减少粮食损失和浪费。到 2030 年，将粮食损失和浪费减少 50%，包括开发新技术并使其商业化，以及鼓励采用新技术和现有技术。为实现上述目标，拟开展以下重点研究：一是支持提高农业生产力。为实现上述目标，拟开展以下重点研究：一是支持提高农业生产力。采用快速育种策略和生物技术来改良植物、动物和微生物，以提高生产力并减轻农业对环境的影响。加强对创新方法和技术的研究，包括精准农业以及循环和自然解决方案，以提高可持续性；减少投入。二是支持气

23、候智能型原料生产和生物燃料使用。二是支持气候智能型原料生产和生物燃料使用。加快对碳强度更低的气候智能型原料的研究。开发快速评估和跟踪原料质量的工具，以推动市场发展，使生产商能够从产量和产品质量两方面获得回报。开发生化和生物制造流程，包括酶促和微生物过程，从而有效且规模化地将原-13-料转化为中间产物和产品。扩大生物炼制技术，高效地将生物质分解成基本成分（例如，木质素、半纤维素和纤维素）；将木质素和半纤维素转化为塑料、粘合剂和低能耗建筑材料；将纤维素纤维转化为纳米材料和纤维素衍生物，用于生产纤维、涂料、可再生包装和其他产品。三是支持减少氮排放。三是支持减少氮排放。采用快速育种策略和生物技术培育对

24、投入要求较低的植物，并且增加对土壤氮和磷的吸收、储存和循环利用。四是支持减少甲烷排放。四是支持减少甲烷排放。加强对饲料来源、新型饲料添加剂和饲料原料的研究，以减少反刍动物和水产养殖的肠道甲烷排放。开发新技术和创新生产系统，替代稻田种植生产模式，从而减少甲烷厌氧菌的产生。五是支持减少粮食损失和浪费。五是支持减少粮食损失和浪费。加强对方法、产品和工具的研究，防止或减少因变质、虫害、霉变和天气因素所导致的粮食损失，包括可持续、用户友好型且可生物降解的包装，以及可延长产品保鲜度和保质期的生物基涂层。制定并扩大策略，扩大食品回收或循环利用计划的规模，包括先进的生化和微生物系统，从而将食物残渣有效转化为饲

25、料、肥料、材料、生物制品和燃料。（二）改善食品营养和质量一是开发新的食品和饲料来源：（二）改善食品营养和质量一是开发新的食品和饲料来源：开发新的食品和饲料来源，包括大规模生产新型或改良型蛋白质和脂肪，以实现在 2030 年前消除全球饥饿现象的联合国可持续发展目标。二是提高食物的二是提高食物的-14-营养密度：营养密度：在未来 20 年内，提高农作物和动物的营养密度，开发未被充分利用动植物的营养密度，并在传统生态知识的基础上，更好地利用和保护具有重要文化意义和营养价值的动植物。三是减少食源性疾病：三是减少食源性疾病：减少食源性疾病的发病率，包括使用新的和改进的筛查工具，以实现“健康人群 2030

26、”所设定的目标，比如将沙门氏菌疾病减少 25%。为实现上述目标，拟开展以下重点研究：一是支持开发新的食品和饲料来源：为实现上述目标，拟开展以下重点研究：一是支持开发新的食品和饲料来源：扩大对食品成分的研究，使新的食品更加可口、经济、易于制备，以及更容易制成加工食品。研究替代性蛋白质（例如，植物蛋白、发酵衍生蛋白和细胞培养蛋白）产品的结构设计和食品结构，包括植物和微生物材料与动物产品的比较。为食品或饲料生产找到高产量、低成本的蛋白质和脂肪来源，并开展可行性研究，包括精密发酵产品和其他行业的副产品或废物流。为作物分离、谷物管理与加工以及其他控制措施制定和验证基于科学和风险的流程，以确保动物蛋白生产

27、所需的谷物安全，同时减少食品供应链中潜在的混合以及过敏原交叉接触。加强对动物饵料的研究，以提高消化率、改善氨基酸分布，包括在动物饵料中添加氨基酸，以提高从饲料到食品的转化率。加强对牲畜和水产养殖的替代性饲料原料的研究，包括可以改良或替代饲料原料的植物、藻类或海藻。二是支持提高食二是支持提高食-15-物中的营养密度：物中的营养密度：采用快速育种策略和生物技术，培育营养密度更高的动植物，包括提高微量营养素和保健品的含量。扩大可用于营养目的的生物体范围，提高目前农业生产中动植物物种的营养密度。扩大与部落和其他传统生态知识守护者的联合研究，培育具有重要文化意义的粮食。找准细分市场和机会，扩大具有重要文

28、化意义的非木材森林产品以及湿地和草地粮食品种的生产。三是支持减少食源性疾病：三是支持减少食源性疾病：开发基于风险的工具，确定病原体的毒力因子和抗菌素耐药性。研究方法和缓解对策，减少粮食系统（包括生产环境和加工设施）中引起食源性疾病的病原体。开发快速筛查、检测和量化技术，建立病原体、化学污染物和物理危害的全国网络。（三）促进种养殖过程免受环境压力影响一是提高检测和减轻病虫害的能力。（三）促进种养殖过程免受环境压力影响一是提高检测和减轻病虫害的能力。在未来 5 年内，提高检测和减轻现有及新型动植物病虫害的能力，特别是传播疾病和破坏性的害虫。二是提高对生物和非生物胁迫的韧性：二是提高对生物和非生物胁

29、迫的韧性：在未来 20年内，提高农业和林业的韧性，并开发工具，提高对生物胁迫（病虫害威胁）和非生物胁迫（包括干旱、高温、寒冷和降水）的韧性。为实现上述目标，拟开展以下重点研究：一是支持检测和减轻病虫害的能力：为实现上述目标，拟开展以下重点研究：一是支持检测和减轻病虫害的能力：开发和验证病原体的快-16-速筛查、检测和量化方法，在全美范围内提供方便、及时和准确的实验室服务。为具有严重传染性的动植物疾病制定商业上可行的对策，包括动物疫苗和抗病毒药物。着手研究诱导动植物防卫反应的分子技术，包括可以检测、报告、发信号和自我治疗感染的植物。扩大对携带病原体害虫的综合管理研究，比如生物防治剂、不育、基因驱

30、动、信息素、生物制剂和植物内置杀虫剂。利用基因组测序来表征新的动植物病原体分离株，并确定其可能的新宿主范围，包括成为人畜共患病的可能性。扩大对抗病虫害农作物和动物及其近缘野生种的基因组筛选和测序；采用快速育种策略和生物技术，培育具有更好抗病性的动植物。二是支持对生物和非生物胁迫的韧性：二是支持对生物和非生物胁迫的韧性：采用快速育种策略和生物技术，培育适应当前和预测气候、且在非生物胁迫下具有更高产量的动植物，包括益虫。改进抗性筛选，在本地树种中采用快速育种策略和生物技术，提高对病虫害的抗性；制定辅助的迁移协议，以寻找、培育和推广有韧性的树木。增进对农业和森林生态体系的了解，特别是其面对不同规模的

31、压力因素时的变化，以增强韧性并改善整体健康状况。四、优化气候变化解决方案四、优化气候变化解决方案希望通过推动生物技术和生物制造创新成果大规模转化和落-17-地，助力实现 2050 年净零温室气体排放的目标。为此提出四方面中长期目标：（一）开发生物质燃料一是扩大原料可用性。（一）开发生物质燃料一是扩大原料可用性。在 20 年内，收集和处理可转化的专用植物和废物衍生原料 12 亿公吨，并利用适合转化为燃料和产品的废气二氧化碳超过 6000 万公吨，同时最大限度地减少排放、用水、栖息地退化和其他可持续性挑战。二是生产可持续航空燃料（二是生产可持续航空燃料（SAF）。）。在 7 年内，生产可持续航空燃

32、料 30 亿加仑，且比传统航空燃料的温室气体生命周期排放减少 50%以上（甚至 70%）。2050 年，生产可持续航空燃料将增加到 350 亿加仑。三是开发其他战略燃料。三是开发其他战略燃料。在 20 年内，用低温室气体净排放燃料取代 50%（超过 150 亿加仑）的海运燃料、越野车辆燃料和轨道燃料。为实现上述目标，拟开展以下重点研究：为实现上述目标，拟开展以下重点研究：开展研究、开发和示范项目，减少原料生产、收集、运输和预处理的碳足迹。开发具有经济效益且可持续的技术，用于进行异质废物流的预处理和污染物的分离，以提高可用废物原料的数量和质量。探索可持续航空燃料生产中已知中间产物的新路线，生产新

33、的生物基化合物，用作可持续航空燃料，并减少温室气体排放。通过开发能够使用各种原料的生产途径，同时建立燃料质量标准和测试方法，优化纤维素原料的生物转化和加工。-18-（二）发展生物基化学品和材料一是开发低碳化学品和材料。（二）发展生物基化学品和材料一是开发低碳化学品和材料。在 5 年内，生产商业上可行的生物制品超过 20 种，且生命周期温室气体排放将比目前的生产方式减少 70%以上。二是促进材料循环经济。二是促进材料循环经济。在 20 年内，示范并落实具有经济效益且可持续的发展路线，将生物基原料转化为可回收的聚合物，大规模取代目前 90%以上的塑料和其他商业聚合物。为实现上述目标，拟开展以下重点

34、研究：为实现上述目标，拟开展以下重点研究：利用生物技术确定关键分子生产中所涉及的生物途径和生化过程，并提高一系列碳源生产化学品的产量和加工效率。在生物和化学的交叉领域开发创新，生产能够最大限度减少温室气体排放的平台化合物和最终产品。扩大流程和研发规模，对废物资源（比如废旧塑料）进行回收和/或再造，包括通过选择性的化学和生物方法，重点是目前未被回收的混合和多组分废物。加大材料（比如塑料）设计或再设计的力度，以改善材料报废特性，包括视情况提高其可再利用性和/或堆肥能力。建立试点规模化设施，测试新技术，从合成、制造和聚合物加工到材料和化学合成及回收的生产线应用测试。（三）开发具有气候调节作用的农业系

35、统和植物一是为稳定的原料生产系统开发测量工具。（三）开发具有气候调节作用的农业系统和植物一是为稳定的原料生产系统开发测量工具。在 5 年内，开发-19-新的工具来测量农业和生物经济原料系统的碳和养分通量，为国家框架做出贡献。二是改造更好的原料植物。二是改造更好的原料植物。在 5 年内，改造植物并调节植物微生物组，以生产能够在未充分利用的土地上生长的耐旱原料，将氮和磷的利用效率提高 20%以上。三是改造循环食物蛋白生产系统。三是改造循环食物蛋白生产系统。在 5 年内，示范生产食物蛋白的可行途径，包括利用生物质、废料和二氧化碳，与目前的生产方式相比，生命周期温室气体排放减少 50%以上，且成本相当

36、。为实现上述目标，拟开展以下重点研究：为实现上述目标，拟开展以下重点研究：改进估算、测量和监测温室气体源以及生物质和土壤中碳循环与封存的模型和方法。建立一个全美适用的框架及相关工具，用于测量和核实生产生物经济原料在农业系统中的碳和养分通量。对植物（包括藻类）和土壤微生物群落开展研发，并生成相关知识，从而使用低碳密集型方法生产新的专用原料。制定有关方法，测量改造植物的整体改良情况。开发生物加工方法，在扩大基于生物技术的蛋白质生产规模的同时，保持质量不变（甚至有所提高），并将大规模废物原料与合成生物学和生物加工工程有机结合。对现有的食物蛋白生产途径进行严格和透明的流程分析，为可持续生物流程的开发提

37、供参考。（四）发展二氧化碳清除技术（四）发展二氧化碳清除技术-20-一是开发超大型的生物技术解决方案。一是开发超大型的生物技术解决方案。在 10 年内，开发技术，在数千万英亩的土地上大规模实施超大型土壤碳封存和管理技术，提高土壤健康和抗旱能力，并实现美国的气候目标。二是实现生物质脱碳与封存（二是实现生物质脱碳与封存（BiCRS）。）。在 9 年内，以低于 100 美元/净公吨的价格示范持久、可扩展的生物质脱碳，实现 10 亿吨级的脱碳。为实现上述目标，拟开展以下重点研究：为实现上述目标，拟开展以下重点研究：发展遗传工程学和技术工具，使高产作物和林木的根系更深、更顽强，以增加土壤有机碳（SOC）

38、。填补植物-土壤相互作用方面的知识缺口，了解如何在不减少养分矿化的前提下，促进土壤有机碳的积累，并开发预测性生态整体概念框架，以了解土壤有机质的变化。确定最具经济效益的生物质脱碳与封存途径，以及将它作为完整碳管理策略的一部分，补充其他生物质用量。确定通过生物系统生产最长寿的固体碳材料，探索利用仿生或非细胞体系、生物电方法和生物无机材料将大气中的二氧化碳更多地捕集到材料中。五、推进生物经济创新发展五、推进生物经济创新发展希望通过将基础研究发现与产业科技创新相结合，发展生物经济新增长点，以解决当前一系列社会问题。为此提出五方面中-21-长期目标：（一）利用生物多样性推动生物经济发展一是（一）利用生

39、物多样性推动生物经济发展一是在 5 年内，对 100 万个微生物物种的基因组进行测序，并了解至少 80%的新发现基因的功能。二是二是在 20 年内，将所有类型生物体的新基因序列、新陈代谢和功能的发现速度提高到目前的 100 倍。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是加强从整个生命之树的不同生物体中发现新功能。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是加强从整个生命之树的不同生物体中发现新功能。制定选择生物体进行测序的国家战略，使得比较分析能够揭示出可用于生物设计的功能变异。加快计算和实验工具的开发，加强对序列和功能元素（例如，调控网络、代谢途径和性状）的比较发现。二是将生物多样性用于新的生物技

40、术应用中。二是将生物多样性用于新的生物技术应用中。扩大可作为工程生物系统宿主（基底）的生物体数量。将化学和材料科学的创新与测序和功能分析的结果相结合，扩大“部件”资源库，以实现所谓的“即插即用”的设计建造能力。建立创新实验室，为生物经济的新材料、新设备和新产品提供生物启发式设计。三是为生物经济打造一个稳固的多机构、安全的数据基础设施生态体系。三是为生物经济打造一个稳固的多机构、安全的数据基础设施生态体系。加强全美范围内数据处理和分析能力，包括网络基础设施和生物信息。鼓励生物数据（和生物部件）的可查询、可获取、可互操作和可重复使用。加强对网络基础设施和数据架构的支持，允许计算与-22-整合，以发

41、现不同的数据集。在开放数据的需求与尊重知识产权之间取得平衡，既保持对创新的激励，也对敏感数据采取适当的数据保护和安全措施。（二）加强生物制造系统的设计和构建能力一是（二）加强生物制造系统的设计和构建能力一是在 5 年内，提高可预测地设计小分子或酶的能力，同时确保其能够与任何靶标选择性结合，并将这一过程所需时间减少到 3 周。二是二是在 20 年内，利用多学科的理论进步，在从分子到生态体系的所有层级上，实现对有目的的工程生物系统设计的置信度达到 90%。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是在生物分子、细胞、生物体和生态体系各层级推进预测工作。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是在生物分子

42、、细胞、生物体和生态体系各层级推进预测工作。扩大预测生物分子相互作用的能力，以掌握小生物分子和酶的重要功能。预测细胞、生物体和群落之间的通信模式，以便将其融入生物设计中。在各个层级推进理论、计算和实验工具，以了解驱动生物系统变异的进化和适应机制，并预测如何利用进化变异对生物设计产生积极影响。二是利用预测和人工智能的力量推进生物设计。二是利用预测和人工智能的力量推进生物设计。开发全新的计算算法和自动化工作流程，将能够预测可能构造的逻辑和规则与预测模型和生物部件库及其相关功能结合起来。将人工智能与进化过程的知识相结合，超越蛋白质设计，加快生物组织所有尺度上的生物设计。制定基准方法-23-和标准，用

43、于测试和验证人工智能及其他计算模型，以确保最终设计的可靠性和可信度。探索生物设计的局限性，以构建非细胞体系、合成细胞、最小细胞或生物体系统。（三）扩大构建和评估生物系统性能与质量的能力一是（三）扩大构建和评估生物系统性能与质量的能力一是在 5 年内，开发读写任何基因组、表观基因组、转录组和表达蛋白质组的能力，从而能够在 30 天内构建和评估任何单个细胞。二是二是在 20 年内，培育出一种可用作生产食品、原料、化学品或药品基底的合成最小植物。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是扩大构建全新形式和功能的能力。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是扩大构建全新形式和功能的能力。开发先进技术，以

44、精确调节生物体（从微生物到动植物）的基因组、转录组、蛋白质组和代谢组，进而实现对复杂表型的高度可预测的空间和时间控制。利用关于不同调节途径和开关控制器的知识，建立对生物分子和细胞进行精确高通量化学修饰的平台。开发全新的模态，将细胞精确地组装成器官、生物体或生态体系，并将非生物成分作为关键控制或感应元件。二是扩大测量、传感、驱动和控制生物系统的能力。二是扩大测量、传感、驱动和控制生物系统的能力。开发不干扰细胞功能的生物和非生物传感器和换能器，利用量子、光学、磁和其他传感模态，接收外源信号并与生物系统对接。开发平台技术，全面读取表达的基因组、蛋白质组和代谢组，以实现对任何生物体的高通量精确表型。开

45、发平台和-24-工具，用于在相互关联的自然和建筑环境中对来自细胞和多细胞系统的复杂信号进行快速、多模态的测量。开发传感器/换能器系统，既能测量又能传输信号，使计算响应生效，从而实现生物系统的开放或闭环控制。三是通过公共基础设施加速设计三是通过公共基础设施加速设计-构建构建-测试测试-学习能力。学习能力。建立一个全国性的生物铸造厂网络，使人们能够民主地使用虚拟和实体设施，在非细胞、细胞、类器官和整个生物体系统中，完成对现代生物技术的设计-构建-测试-学习周期。将生物铸造厂与广大公众可获取的“部件”和传感器资源库连接起来。（四）推进生物系统的规模化与控制一是（四）推进生物系统的规模化与控制一是在

46、5 年内，推进生物流程设计、优化和控制工具，使任何生物流程均能在 3 个月内可预测地扩大到商业生产，成功率达到 90%。二是二是在 20 年内，推进原料使用、生物体设计、流程设计和最终处置的所有方面与技术经济分析相结合，使 85%以上的新生物流程在部署后的第一年就能实现可持续性和商业目标。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是通过稳固的流程建模、优化和设计，加快规模化。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是通过稳固的流程建模、优化和设计，加快规模化。培养预测细胞、生物体、生物体系统，以及它们在复杂生产和加工环境中使用及生成的分子的性能与行为（包括进化）的能力。利用生物铸造厂的数据推进理论驱

47、动和人工智能的多尺度建模，将生物系统性能与生物工艺性能的模型相结合。整合生物流程所有方-25-面的参数优化，包括设计、上游和下游流程、产品报废，以及非常规生物流程环境。推进流程设计方法从（半）批量流程过渡到连续和强化流程，包括通过使用模块化、地理分布和潜在可重新配置的流程或设施，从而增强生物产品供应链的韧性。二是推进生物流程控制。二是推进生物流程控制。提高开发流程控制策略的能力，包括在细胞层级和整个系统层级的控制。推进基于模型的流程优化和控制，能够明确兼顾生物和物理系统中的生物不确定性、随机性和变化。推进估算技术，用以预测生物制造流程中无法直接测量的诸多状态（例如，细胞表型、蛋白质表达或酶活性

48、）。（五）创新生物制造方法（五）创新生物制造方法在 5 年内，可重复地制造生物和非生物组件的集成设备，比如器官芯片或人机接口，并使组件的活性与连通性保持在 90%以上，为生物制造创新铺平道路，包括开发关爱老龄化健康的辅助设备。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是在生物材料制造方面进行创新。为实现上述目标，拟开展以下重点研发：一是在生物材料制造方面进行创新。提高利用生物基纳米机械和设计的纳米制造能力。开发工程生物和生物制造系统，用以生产生物聚合物，并就地进行规模化加工，从而仿制自然界中存在的生物材料，比如昆虫丝或外骨骼。二是推进细胞和组织与设备的整合，并创造多种材料。二是推进细胞和组织与设备

49、的整合，并创造多种材料。推进使用 DNA、病毒和细菌的生物-26-流程的发展。推进生物打印的能力，用以生成细胞支架、骨骼或软骨替代物，以及模仿或替代活体组织的多材料结构。推动生物打印在燃料、电子和材料等方面的应用。整合新的细胞和组织的潜力，用于传感、驱动、数据采集、反馈、修复，以及扩大制造打印活体材料的可重复性。提高制造功能性神经元或脑类器官装置的能力，既可用于神经元的刺激和修复，也能用于潜在的生物计算应用。三是在人类技术的前沿进行创新。三是在人类技术的前沿进行创新。发展与可穿戴和普及技术相关的制造业，从而提供更强的灵活性、促进沟通，并满足日常需求。创造适当的技术来提高劳动者的生产力和生活质量

50、，包括协作式生理和认知辅助、无缝增强现实和远程呈现，以及私密和安全的健康与保健监测。译 自：Bold Goals for U.S.Biotechnology and Biomanufacturing:Harnessing Research and Development to Further Societal Goals,March 2023 by the White House译文作者：工业和信息化部赛迪研究院陆安静 王旭 许靖联系方式：18810263911电子邮件：-28-编 辑 部：工业和信息化部赛迪研究院通讯地址：北京市海淀区紫竹院路 66 号赛迪大厦 15 层国际合作处邮政编码：100048联 系 人：袁素雅联系电话：（010）8855968413263204219传真：（010）88558833网址：电子邮件：报：部领导送：部机关各司局，各地方工业和信息化主管部门，相关部门及研究单位，相关行业协会报：部领导送：部机关各司局，各地方工业和信息化主管部门，相关部门及研究单位，相关行业协会