20世纪以来，以孟德尔遗传定律、DNA双螺旋结构的发现为代表的现代生物技术的出现，为生物产业飞速发展奠定了坚实的基础。纵观生物技术发展历程，可以看到由某一划时代技术的出现，从而带动相应产业发生重大变革，带来了巨大的社会价值和经济效益。例如，1973年DNA重组技术的发现，标志着“基因工程时代”的到来^[1]，利用该技术实现了包括人胰岛素的量产、转基因农作物的大规模种植等极具商业价值的产业化应用。

　　本文在综合考虑历年诺贝尔奖、Science评选的“世界十大科学进展”、技术专利及临床试验申请、产业化应用推广等情况，对生物产业关键核心技术进行筛选，最终选出了发酵技术、基因测序技术、肿瘤免疫治疗技术、合成生物学技术等四大生物产业关键核心技术，并对生物产业未来发展趋势进行预判。

　　1.生物产业核心技术分析

　　1.1发酵技术

　　发酵工艺已有上千年历史，在先秦时期就已有手工酿酒出现，1897年，毕希纳发现酵母可使生物产业核心技术及产业发展趋势分析糖发酵形成酒精，开启了近代发酵时代^[2]。100多年后，柯赫首次实现用固体培养基分离培养炭疽芽孢杆菌、结核芽孢杆菌、霍乱芽孢杆菌等病原细菌。研究人员在此基础上对发酵的温度、微生物种类及浓度进行不断摸索，为大规模工业发酵奠定了良好的技术基础^[3]。随着第一次世界大战对甘油、丙酮-丁醇需求激增，化工企业开发了利用密闭式发酵罐进行微生物纯种培养技术，工业发酵的雏形正式诞生。第二次世界大战推动辉瑞等公司对青霉素的工业发酵技术进行深入研究，所采用的液态深层发酵替代了原有的液体浅盘发酵。该技术减少了发酵装置体积，降低了工业能耗及原材料消耗，使得青霉素生产水平提高到200U/mL。20世纪50年代末期，通过人工改造微生物代谢途径实现了氨基酸的大规模生产，直接带动了氨基酸、有机酸、酶制剂、核苷酸、多糖等微生物工业发酵产品。近年来，随着基因工程、化学工程、计算机技术等技术进步，工业发酵技术已经从最初简单的食品加工，发展成为包括微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机工程的一个复合工艺技术。

　　1.2基因测序技术

　　1977年，Sanger通过引入双脱氧核苷三磷酸，实现了DNA的测序（Sanger法），基于Sanger法的测序技术也被称作第一代测序技术^[4]。第一代测序技术的读长可达800~1000bp，测序准确率高达99.999%，但该方法通量较低，成本较高，限制了大规模、高通量的应用。随着测序技术的不断发展，焦磷酸测序法^[5]、可逆链终止物和合成测序法^[6]和连接测序法^[7]等技术为标志的第二代测序技术开始兴起，基因测序进入了高通量并行时代。第二代测序技术降低了测序成本，大幅提高了测序速度，并且保持了99%的准确性，但除焦磷酸测序法可保证300~400bp的读长外，其他方法的读长相对较短。2008年以来，基于单分子测序的第三代测序技术开始兴起，即不通过PCR扩增，直接对每条DNA分子进行测序，从而降低PCR扩增导致的序列偏向性。但第三代测序技术在连续相同碱基序列区域错误率较高，仍无法单独使用。三代测序技术详细数据分析见表1。

　　1.3肿瘤免疫治疗技术

　　肿瘤免疫治疗技术已有数十年的发展历史。1984年，罗森伯格利用高剂量IL-2激活患者淋巴细胞（LAK细胞）后进行回输，成功治愈了一名晚期转移性黑色素瘤患者，被认为是现代肿瘤免疫治疗的开端^[8]。2012年，《新英格兰医学》发表“肿瘤研究200年”，明确提出肿瘤治疗方法已转变成手术、放疗、化疗和生物免疫治疗四大支柱，肿瘤免疫治疗技术迎来发展的高峰^[9]。肿瘤免疫治疗技术可以分为免疫检查点技术、过继性免疫治疗技术、肿瘤疫苗、溶瘤病毒四种^[10]。免疫检查点技术是通过采用共抑制分子或配体的拮抗剂以及其他药物来阻断信号通路，解除肿瘤患者的免疫抑制，进而刺激细胞毒性T细胞的活化，增强其杀伤肿瘤细胞的能力^[11]。过继性免疫治疗技术将自体或异体的免疫效应细胞，在体外对其进行功能强化、扩增、筛选，并回输给患者体内，达到治疗癌症的目的^[12]。肿瘤疫苗则是利用肿瘤抗原激活机体T细胞和B细胞，从而达到抑制肿瘤细胞生长、转移和复发的目的^[13]，其中肿瘤抗原可以为肿瘤细胞、相关蛋白或者多肽及核酸等。溶瘤病毒具有天然肿瘤选择性，能靶向和感染肿瘤细胞，达到裂解肿瘤的效果。

　　1.4合成生物学技术

　　合成生物学技术是采用工程化设计思路重，组标准化的元器件和模块，获得新的功能，甚至合成全新的人工生命体的技术。1972年，Jackson和Berg通过将细菌病毒的DNA拼接到病毒SV40.1中，创建了首例重组DNA分子^[14]。1980年，Hobom开始用合成生物学的概念来表述基因重组技术^[15]。2000年，E.Kool将“合成生物学”定义为基于系统生物学的遗传工程，用基因片段、人工碱基DNA分子、基因调控网络与信号转导路径人为的设计与构建具有新的生物功能的生命体系。2010年，J.Venter运用化学合成的1000多个1080bp蕈状支原体序列，将该合成基因组移植到去除了遗传物质的山羊支原体中，创造出首个人工单细胞“Synthia”，标志着合成生物学已经可以人工合成简单生命体^[16]。2018年，覃重军通过染色体融合，培育了全球首个单条染色体酵母，创造了自然界不存在的生命体^[17]。

　　2.生物关键核心技术产业化情况分析

　　2.1工业发酵

　　现代工业发酵生产的产品包括酒精类、醋酸和面包等食品，胰岛素、抗生素、维生素等药物，杀虫剂、除草剂等农药，氨基酸、香料、有机酸等工业原料，产品应用领域涉及医药、化工、食品、农业、环境等众多产业。在产业政策引导下，我国工业发酵产业体系逐步完善，产业规模与结构逐步优化，改变了较为单一的产品格局。目前，我国已成为全球发酵类药物产品的主要供应国，产能产量位居世界第首位。2019年，我国生物发酵产业产值超过3000亿元，主要发酵产品年产量超过3000万吨。

　　2.2基因测序

　　我国基因测序产业规模持续高速增长，2018年，行业规模达到603亿元，年增长率为29.7%，增长率连续多年位于世界首位。2015年《国家发展改革委关于实施新兴产业重大工程包的通知》中，将基因检测技术列入“新型健康技术惠民工程”，无创产前检查、地中海贫血、乳腺癌基因筛查等60余项基因检测项目被纳入民生工程，总计筛查样本近1000万例，部分地区筛查率达到99%，应用水平已达到世界前列。此次新冠肺炎疫情抗击中，华大基因等17家新冠病毒基因检测试剂盒的获批上市，为疑似患者的早确诊、早隔离提供了重要依据，为打赢抗击疫情的阻击战提供了强有力的科技支撑。

　　2.3肿瘤免疫治疗

　　近年来，肿瘤免疫治疗技术临床应用成果颇丰。2010年首个前列腺癌治疗疫苗sipuleucel-T上市，2011年首个免疫检查点抑制剂Ipilimumab上市，2012年首例利用CD19CAR-T细胞治愈的急性淋巴性白血病患者出院，2014年2款抗PD-1/PD-L1抗体nivolumab（BMS）与pembrolizumab（Merck）相继在日本和美国获批上市，以上成果的取得极大增强了肿瘤免疫治疗技术应用的信心。2017年诺华CAR-T细胞疗法（Kymriah）获批上市，2019年3月PD-L1抑制剂Atezolizumab联合卡铂、依托泊苷获批上市，改写了维持20年之久的广泛期小细胞肺癌临床治疗方案。截至2019年，Clinicaltrial网站登记的肿瘤免疫疗法临床试验1399项，美国申请临床数量755项，数量稳居全球首位。近年来，我国在该领域也是逐渐发力，追赶美国的步伐，2018年首个国产PD-1特瑞普利单抗获批上市，2019年首个非病毒载体CAR-T细胞获准开展临床试验，中国患者将有更多机会享受免疫治疗带来的生存获益。随着相关技术的逐步进步完善，肿瘤免疫治疗在安全有效性上的优势愈加明显，使得其已成为全球肿瘤治疗领域首选方案之一。

　　2.4合成生物学

　　合成生物学技术的不断突破，使其成为应对健康、医药、材料、能源、环境、气候变化等多种挑战的潜在解决方案。目前，合成生物学产品已经在农业种植、石油化工、生物医药等领域已经展现出了非常广阔的应用空间。美国已经或即将上市的合成生物技术产品已超过百种，拥有千亿美元的市场。Jay Keasling与Amyris公司通过构建酿酒酵母细胞生产疟疾治疗药物青蒿素的关键前体——青蒿酸，极大提高了青蒿素的产量，100立方米体积的工业发酵罐所生产的青蒿素足以替代5万亩的农业种植，是合成生物学在医药领域应用的重要范例^[18]。在农业领域，PivotBio公司通过基因改造作物根系微生物群，增强了植物固氮作用。在酿酒领域，Ava Winery公司利用对微生物代谢途径的编辑，生产出了不依赖葡萄发酵的葡萄酒，将“以水变酒”的创意化为现实。近年来，在我国政策引领和基础研究不断突破的基础上，未来我国合成生物学产业有望呈现爆发式增长，在精细化学品、材料和天然产物合成等领域实现全球领先。

　　3.未来发展趋势研判

　　3.1融合技术对生物产业的影响更加剧烈

　　基因编辑、脑成像、生物传感、人机交互、大数据等新技术不断涌现，成为了全球研究重点及热点。可以预计，未来生物科学与工程学、计算机科学、临床医学、材料学、物理学等多学科的交叉融合，将推动更多新兴技术的产生，并对产业界带来天翻地覆的变革，为了解生命体、解析生理过程提供了的新思路、新手段和新策略，必将极大推动生命健康和生物产业迈入新篇章^[19]。

　　3.2数据组学将成为生物技术创新的原始驱动力

　　近年来，生物数据的累计效应愈加明显，生物学家在核酸、蛋白质、代谢物、矿物质、表型等方面的研究成果不断累计，并通过大量数据的分析使得对相关领域的理解进一步加深，促进了基因组学、蛋白质组学、代谢组学、微生物组学、表型组学等组学研究方法的产生，为生物领域新发现、新技术提供了强大的数据基础。可以说，掌握了生物信息数据就掌握了生物研究的主动权，基于生物信息数据的统一存储、整合归集、挖掘利用等技术开发及产业化，将成为未来研究的重点及热点。

　　3.3生物产业将伴随对生命伦理的探讨共同演进

　　纵观生命科学的发展历史，伦理问题一直是社会非常重视的问题。从早期社会对人体解剖、辅助生殖的伦理探讨，到现在人们越来越重视转基因、干细胞研究、合成生物学、基因编辑等新兴生物技术所带来的伦理隐忧，可以说生物技术与产业化应用的发展一直伴随着社会对生命伦理理解的拓展。未来，随着科研人员、临床医生、政府对新兴技术的理解和认识的加深，产业应用风险逐步降低，政策监管手段逐渐完善，将会有更多新兴技术被普通大众所接纳，从而促进生物技术研发与产业化应用向着更加健康有序发展。

　　（深圳国家高技术产业创新中心，深圳，518000；清华大学深圳研究生院，深圳，518000；本研究由中国博士后科学基金资助项目2019M650623资助完成。）

　　参考文献

　　[1]S.N.Cohen,A.C.Y.Chang,H.W.Boyer,R.B.Helling,Proc.Natl.Acad.Sci.1973,70,3240–3244.

　　[2]郭晓强,冯志霞,医学与哲学2008,03,69–70.

　　[3]张文芝,郭坚华,广东农业科学2013,6,114–117.

　　[4]F.Sanger,G.M.Air,B.G.Barrell,N.L.Brown,A.R.Coulson,C.A.Fiddes,C.A.Hutchison,P.M.Slocombe,M.Smith,Nature1977,265,687–695.

　　[5]M.Margulies,M.Egholm,W.E.Altman,S.Attiya,J.S.Bader,L.A.Bemben,J.Berka,M.S.Braverman,Y.-J.Chen,Z.Chen,etal.,Nature2005,437,376–380.

　　[6]G.Turcatti,A.Romieu,M.Fedurco,A.-P.Tairi,NucleicAcidsRes.2008,36,e25.

　　[7]J.Shendure,G.J.Porreca,N.B.Reppas,X.Lin,J.P.McCutcheon,A.M.Rosenbaum,M.D.Wang,K.Zhang,R.D.Mitra,G.M.Church,Science2005,309,1728–1732.

　　[8]S.A.Rosenberg,M.T.Lotze,L.M.Muul,A.E.Chang,F.P.Avis,S.Leitman,W.M.Linehan,C.N.Robertson,R.E.Lee,J.T.Rubin,N.Engl.J.Med.1987,316,889–897.

　　[9]V.T.J.DeVita,S.A.Rosenberg,N.Engl.J.Med.2012,366,2207–2214.

　　[10]卢姗,李苏宁,范红,中国生物工程杂志2017,1,104–110.

　　[11]田宏,金锷,郭晓钟,中华胰腺病杂志2018,18,420–423.

　　[12]杨何,张升,辛艳飞,中国临床药理学与治疗学2016,9,1074–1080.

　　[13]I.Giuroiu,J.Weber,CancerJ.2017,23,23–31.

　　[14]D.A.Jackson,R.H.Symons,P.Berg,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.1972,69,2904–2909.

　　[15]B.Hobom,Med.Klin.1980,75,834–841.

　　[16]D.G.Gibson,J.I.Glass,C.Lartigue,V.N.Noskov,R.-Y.Chuang,M.A.Algire,G.A.Benders,M.G.Montague,L.Ma,M.M.Moodie,etal.,Science2010,329,52–56.

　　[17]Y.Shao,N.Lu,Z.Wu,C.Cai,S.Wang,L.-L.Zhang,F.Zhou,S.Xiao,L.Liu,X.Zeng,etal.,Nature2018,560,331–335.

　　[18]曾艳,赵心刚,周桔,中国科学院院刊2018,11,1211–1217.

　　[19]沈虹,齐欢,张子刚,马延高,高科技与产业化2002,1,17–21.