譯者 | 劉濤
審校 | 重樓
生物工程正矗立于變革時(shí)代的風(fēng)口浪尖，通過(guò)生物學(xué)、工程學(xué)與先進(jìn)技術(shù)的深度融合，它預(yù)示著一場(chǎng)有可能重塑人類生存結(jié)構(gòu)的革命。這絕非夸大其詞，而是基于再生醫(yī)學(xué)、合成生物學(xué)、基因編輯及生物電子學(xué)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展。這些領(lǐng)域的進(jìn)步，已遠(yuǎn)非傳統(tǒng)的漸進(jìn)式改良，而是顛覆了我們對(duì)生物學(xué)認(rèn)知的范式變革。為了全面理解這一變革的廣度和深度，我們亟需深入探究這些創(chuàng)新技術(shù)的復(fù)雜運(yùn)作機(jī)制，并審慎評(píng)估它們對(duì)社會(huì)所帶來(lái)的深遠(yuǎn)影響。
目錄
- 生物工程概覽
- 再生醫(yī)學(xué)
- 基因編輯
- 個(gè)性化醫(yī)療
- 生物電子醫(yī)學(xué)
- 合成生物學(xué)
- 環(huán)境生物工程
- 衰老與長(zhǎng)壽
- 生物工程中的倫理挑戰(zhàn)
- 如何開(kāi)始從事生物工程
- 結(jié)論：生物工程的負(fù)責(zé)任管理
生物工程概述
生物工程以運(yùn)用生物學(xué)原理解決復(fù)雜問(wèn)題為核心，從全新設(shè)計(jì)器官、基因編輯治病到改造微生物清污，盡顯創(chuàng)造力與精確度的融合。它依賴計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)、倫理學(xué)等多領(lǐng)域的跨學(xué)科合作。
生物工程極具潛力，最引人注目的是可能徹底變革醫(yī)療保健。比如定制生物打印器官讓器官短缺成為歷史，通過(guò)精準(zhǔn)基因編輯根除囊性纖維化、鐮狀細(xì)胞貧血等疾病，對(duì)人類健康影響深遠(yuǎn)，將從根本上改變醫(yī)學(xué)模式。另外，用于醫(yī)療的生物系統(tǒng)操縱原理也能用于農(nóng)業(yè)和環(huán)境可持續(xù)性領(lǐng)域。
人工智能與生物工程相結(jié)合，在拓展生物工程潛力的同時(shí)帶來(lái)新的復(fù)雜性。人工智能驅(qū)動(dòng)的工具能分析海量數(shù)據(jù)集，識(shí)別模式并做出人類難以企及的預(yù)測(cè)，這在個(gè)性化醫(yī)療中極為寶貴，可讓治療以前所未有的精度依個(gè)人基因構(gòu)成定制，但也引發(fā)數(shù)據(jù)隱私及人工智能道德使用的擔(dān)憂。
此外，生物工程令人興奮之處還在于能突破人類界限，如腦機(jī)接口助力癱瘓者恢復(fù)行動(dòng)能力或增強(qiáng)認(rèn)知功能，隨著技術(shù)日益復(fù)雜，可能模糊生物學(xué)與技術(shù)的界限，為人類增強(qiáng)帶來(lái)新可能，不過(guò)這一前景雖振奮人心，其社會(huì)影響也需審慎考量。
再生醫(yī)學(xué)
再生醫(yī)學(xué)作為生物工程中極具變革潛力的領(lǐng)域，有望解決器官短缺、組織損傷和慢性病等緊迫醫(yī)學(xué)難題。其核心技術(shù) 3D 生物打印，利用生物墨水構(gòu)建組織和器官，實(shí)現(xiàn)工程生命與人體的無(wú)縫融合。此外，干細(xì)胞研究、組織工程的進(jìn)展推動(dòng)個(gè)性化醫(yī)療發(fā)展，多種技術(shù)融合助力功能性和可持續(xù)再生療法的實(shí)現(xiàn)。
3D 生物打印若廣泛應(yīng)用，將改變器官移植現(xiàn)狀，提高醫(yī)療能力與公平性。而類器官的開(kāi)發(fā)為藥物測(cè)試、疾病研究及個(gè)性化藥物提供平臺(tái)，能加快醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)與治療干預(yù)。同時(shí)，再生醫(yī)學(xué)為慢性病治療提供創(chuàng)新方案，從根本上解決疾病問(wèn)題，提高患者生活質(zhì)量。
不過(guò)，再生醫(yī)學(xué)邁向廣泛應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)生物打印大規(guī)模生產(chǎn)需技術(shù)與工藝進(jìn)步；解決倫理問(wèn)題確保公平分配；完善監(jiān)管框架保障安全有效與道德合規(guī)；納入現(xiàn)有醫(yī)療體系需專業(yè)人員培訓(xùn)與新基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)對(duì)釋放再生醫(yī)學(xué)全部潛力至關(guān)重要。
基因編輯
基因編輯技術(shù)（如 CRISPR-Cas9）開(kāi)啟精準(zhǔn)操控生命的新時(shí)代。其功能強(qiáng)大，能在 DNA 水平定向修改，潛力不僅體現(xiàn)在治療遺傳疾病，還涉及人類特征增強(qiáng)、農(nóng)業(yè)改良、環(huán)境保護(hù)等多領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)諸多科幻設(shè)想。但深度控制遺傳密碼帶來(lái)復(fù)雜的倫理和社會(huì)影響，需謹(jǐn)慎應(yīng)對(duì)。
基因驅(qū)動(dòng)是重大突破，在受控環(huán)境下，有望通過(guò)改變蚊子種群根除瘧疾等病媒傳播疾病，合理實(shí)施可挽救生命且提供自維持方案。不過(guò)，部署時(shí)要防范意外生態(tài)后果，多方合作平衡防控與生態(tài)保護(hù)至關(guān)重要。同時(shí)，基因編輯推動(dòng)合成生物學(xué)發(fā)展，二者結(jié)合增強(qiáng)創(chuàng)新力，有望變革行業(yè)、改善環(huán)境。
此外，基因編輯引發(fā)深刻倫理問(wèn)題，需有力監(jiān)管。表觀遺傳編輯技術(shù)或有進(jìn)展，能調(diào)控基因表達(dá)，為疾病治療和個(gè)性化醫(yī)學(xué)帶來(lái)新契機(jī)。
個(gè)性化醫(yī)療
基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)與人工智能的融合推動(dòng)醫(yī)學(xué)邁向個(gè)性化。個(gè)性化醫(yī)療依據(jù)個(gè)體基因和生活方式定制干預(yù)措施，通過(guò)分析大量數(shù)據(jù)識(shí)別生物標(biāo)志物與遺傳變異，提升醫(yī)療準(zhǔn)確性與有效性，有望變革醫(yī)療服務(wù)。
在腫瘤學(xué)領(lǐng)域，靶向癌癥治療通過(guò)測(cè)序腫瘤基因組選擇針對(duì)性療法，提高療效并減少副作用。藥物基因組學(xué)研究遺傳對(duì)藥物代謝的影響，助力開(kāi)出更適配的藥物和劑量?？纱┐魃飩鞲衅鲗?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)，借助人工智能預(yù)測(cè)疾病風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)醫(yī)療從反應(yīng)向預(yù)防轉(zhuǎn)變。
然而，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療技術(shù)公平普及面臨挑戰(zhàn)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素可能加劇醫(yī)療不平等。為此，需通過(guò)政策保障各人群可及、可負(fù)擔(dān)，包括投資基建、培訓(xùn)人員、完善監(jiān)管，以促進(jìn)公平有效的醫(yī)療體系。
生物電子醫(yī)學(xué)
生物電子醫(yī)學(xué)處于生物學(xué)與電子學(xué)結(jié)合前沿，通過(guò)與神經(jīng)系統(tǒng)接口的設(shè)備，利用神經(jīng)通信途徑調(diào)節(jié)神經(jīng)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控與干預(yù)，為慢性病治療和提升人類能力帶來(lái)新維度，有望變革醫(yī)療保健。
其突破性應(yīng)用包括神經(jīng)假肢和腦機(jī)接口，能幫癱瘓者恢復(fù)功能，未來(lái)或?qū)崿F(xiàn)人類與外部設(shè)備更無(wú)縫集成。還可通過(guò)神經(jīng)刺激治療癲癇、抑郁癥等疾病，為患者提供無(wú)藥物副作用的替代方案，且能動(dòng)態(tài)調(diào)整治療參數(shù)。
展望未來(lái)，植入式生物電子系統(tǒng)有望實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)健康、自主干預(yù)緊急情況，降低死亡率。同時(shí)，設(shè)備小型化和生物相容性的進(jìn)步，將帶來(lái)更智能、舒適且侵入性小的醫(yī)療保健方案。
合成生物學(xué)
合成生物學(xué)作為前沿領(lǐng)域，通過(guò)全新設(shè)計(jì)生物系統(tǒng)或重編現(xiàn)有系統(tǒng)，將生物工程推向新高度。它巧妙融合生物學(xué)、工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與化學(xué)原理，打破學(xué)科界限，創(chuàng)造出能執(zhí)行獨(dú)特任務(wù)的生物體，為解決人類面臨的復(fù)雜難題提供創(chuàng)新思路，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。
在可持續(xù)制造領(lǐng)域，合成生物學(xué)利用工程微生物，將農(nóng)業(yè)廢物等可再生資源轉(zhuǎn)化為生物燃料與可生物降解塑料；在制藥行業(yè)中，經(jīng)改良的酵母菌株可合成藥物。這種方式簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)制藥的復(fù)雜流程，降低成本，提高藥物生產(chǎn)的可擴(kuò)展性與靈活性，使偏遠(yuǎn)地區(qū)也能便捷獲取救命藥物，增強(qiáng)全球醫(yī)療體系應(yīng)對(duì)危機(jī)的能力。
生物計(jì)算是合成生物學(xué)的前瞻性探索，利用活細(xì)胞執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，憑借 DNA 的高密度與高效率，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理帶來(lái)變革性可能，有望在多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破。
環(huán)境生物工程
環(huán)境生物工程運(yùn)用生物領(lǐng)域工具，為環(huán)境危機(jī)提供創(chuàng)新且可持續(xù)的解決方案。隨著環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，其在環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展中的作用愈發(fā)關(guān)鍵，是守護(hù)地球的綜合舉措。
在碳捕獲方面，轉(zhuǎn)基因藻類光合效率提升，能高效捕獲工業(yè)排放的二氧化碳并轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)，加工成有價(jià)值產(chǎn)品，兼具碳封存與生物燃料生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，助力環(huán)境與能源雙安全。環(huán)境生物工程材料設(shè)計(jì)為自然降解，能解決塑料污染問(wèn)題，使用時(shí)保持性能，廢棄后無(wú)害分解，推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，環(huán)境生物工程作物抗極端天氣，保障氣候不穩(wěn)定時(shí)的糧食產(chǎn)量，減少資源密集型干預(yù)，還能高效利用養(yǎng)分，降低農(nóng)業(yè)對(duì)環(huán)境的影響，提升農(nóng)業(yè)系統(tǒng)適應(yīng)性與可持續(xù)性，應(yīng)對(duì)人口增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)的雙重挑戰(zhàn)。
衰老與長(zhǎng)壽
生物工程進(jìn)步為“長(zhǎng)壽科學(xué)”帶來(lái)誘人前景，旨在通過(guò)多學(xué)科方法，瞄準(zhǔn)衰老及相關(guān)疾病機(jī)制，減緩甚至逆轉(zhuǎn)衰老，提升個(gè)人壽命與生活質(zhì)量，這對(duì)個(gè)人和社會(huì)都影響深遠(yuǎn)。
在延緩衰老方面，針對(duì)細(xì)胞衰老，研究人員通過(guò)去除或逆轉(zhuǎn)衰老細(xì)胞影響，減少慢性炎癥和組織損傷，臨床前研究已展現(xiàn)希望，有望成為抗衰老醫(yī)學(xué)基石。增強(qiáng) DNA 修復(fù)機(jī)制，借助基因療法等技術(shù)，提高修復(fù)效率，降低相關(guān)疾病發(fā)病率，促進(jìn)細(xì)胞健康。
表觀遺傳重編程通過(guò)重置細(xì)胞生物鐘，在動(dòng)物模型中取得積極成果，可逆轉(zhuǎn)衰老相關(guān)變化，恢復(fù)細(xì)胞活力。隨著研究推進(jìn)，有望開(kāi)發(fā)出延長(zhǎng)壽命、提升生活質(zhì)量的療法，成為抗衰老關(guān)鍵策略。
生物工程中的倫理挑戰(zhàn)
生物工程進(jìn)步帶來(lái)諸多好處，卻也可能引發(fā)重大倫理問(wèn)題。其發(fā)展速度常超監(jiān)管與倫理框架建設(shè)，像遺傳隱私、社會(huì)經(jīng)濟(jì)差異及生態(tài)影響等問(wèn)題亟待考量。應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，對(duì)生物工程技術(shù)安全、公平開(kāi)發(fā)與部署意義重大。
生物工程監(jiān)管框架需與技術(shù)同步，國(guó)際合作制定標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋批準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)及長(zhǎng)期影響評(píng)估。同時(shí)，要確保技術(shù)公平可及，通過(guò)投資基建、補(bǔ)貼保險(xiǎn)等，讓所有人受益，縮小醫(yī)療差距。
此外，社會(huì)接受與文化考量也不容忽視。公眾看法影響技術(shù)應(yīng)用，需通過(guò)教育、對(duì)話建立信任。還要平衡創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展，將倫理融入研發(fā)各階段，保障生物工程為人類和環(huán)境帶來(lái)積極影響。
如何開(kāi)始從事生物工程
生物工程是一個(gè)融合生物學(xué)、工程和技術(shù)以解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的領(lǐng)域，要求從業(yè)者具備熱情、毅力和明確計(jì)劃。理解生物工程內(nèi)涵，建立堅(jiān)實(shí)的學(xué)術(shù)基礎(chǔ)，并通過(guò)在線課程、講座或?qū)嶒?yàn)室參觀探索各子領(lǐng)域，是入門(mén)的關(guān)鍵。正規(guī)教育與自主學(xué)習(xí)相結(jié)合，利用開(kāi)源軟件、免費(fèi)課程和社區(qū)平臺(tái)，可以訪問(wèn)尖端技術(shù)并為創(chuàng)新項(xiàng)目做貢獻(xiàn)。
實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)于將學(xué)術(shù)知識(shí)轉(zhuǎn)化為專業(yè)技能至關(guān)重要。通過(guò)實(shí)習(xí)、研究助理或獨(dú)立項(xiàng)目，了解生物工程師的日常工作，并專注于創(chuàng)新和指導(dǎo)的機(jī)會(huì)。參加行業(yè)會(huì)議、研討會(huì)，加入在線社區(qū)，可以發(fā)展溝通、領(lǐng)導(dǎo)和項(xiàng)目管理技能。
結(jié)論：生物工程的負(fù)責(zé)任管理
生物工程的未來(lái)將徹底改變?nèi)祟惿畹母鱾€(gè)方面，從醫(yī)療保健和長(zhǎng)壽到環(huán)境可持續(xù)性和技術(shù)創(chuàng)新。但這一潛力的實(shí)現(xiàn)取決于我們應(yīng)對(duì)伴隨這些進(jìn)步而來(lái)的倫理、監(jiān)管和社會(huì)挑戰(zhàn)的能力。
通過(guò)培養(yǎng)負(fù)責(zé)任的管理、促進(jìn)公平獲取和參與包容性對(duì)話，我們可以確保生物工程服務(wù)于更大的利益，并為所有人的可持續(xù)繁榮未來(lái)做出貢獻(xiàn)。
譯者介紹
劉濤，51CTO社區(qū)編輯，某大型央企系統(tǒng)上線檢測(cè)管控負(fù)責(zé)人。
原文標(biāo)題：Pioneering Next-Gen Healthcare with AI, Epigenetics, and Bioengineering，作者：Vahe Aslanyan
