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生物技术与信息技术融合发展的现状及建议

时间:2021-02-09作者:李海洋
本文导读:这是一篇关于生物技术与信息技术融合发展的现状及建议的文章,生物技术神经形态和DNA数据存储为信息技术的发展提供了新的方向,成为了国际前沿的研究方向。信息技术的革新从生物结构中寻找思路成为了当前活跃的新兴研究领域,未来20年,生物技术与信息技术融合发展将进入最重要

  摘    要: 信息技术有着采集、处理、储存、整合、挖掘、解析等功能,在与生物技术不断融合的过程中,促使生物技术向可计算、可调控、可定量、可预测的方向发展,驱动生物科学的研究进入了更新的范畴。同时,生物体中神经元的信息交换和处理、基因的表达与调控为信息技术的发展提供了更多的思路。生物技术与信息技术的融合发展是社会和时代发展的需要,是工程发展的规律。

  关键词: 生物技术; 信息技术; 融合发展;

  在智能化和大数据的时代背景下,海量数据爆发式增长给信息技术的发展带来了更多的挑战,信息技术的计算、存储和分析得到爆发式的增长,随之而来的能耗、效能挑战使得信息技术急需寻求新的发展方向。生物技术神经形态和DNA数据存储为信息技术的发展提供了新的方向,成为了国际前沿的研究方向。信息技术的革新从生物结构中寻找思路成为了当前活跃的新兴研究领域,未来20年,生物技术与信息技术融合发展将进入最重要的时间窗口,发展前景十分广阔。

  一、生物技术与信息技术融合发展的意义

  (一)是新一轮科技革命的重要驱动力

  1994年,物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schr9dinger)发表的《生命是什么?活细胞的物理学观》一书中关于“是什么让生命系统似乎与已知的物理学定律相悖”这一问题启发了弗朗西斯·克里克(Francis Crick)等物理学家对于生命科学的研究,进而发现了DNA双螺旋结构,开启了现代生命科学的大门。随后,物理学家在进一步的探索中提出了信息论和控制论,信息技术和生物技术以此为起点沿着各自的轨道不断发展。之后,1990年人类基因组计划的启动让人们从信息论、控制论、系统论的角度对生命科学的发展规律得到了新的认识,拉开了信息技术与生物技术融合发展的序幕。

  在生物技术驱动信息技术的发展之前,信息技术在生物技术开发和生命科学研究等领域已经有了规模化的应用,生命科学研究中的重要工具就是生物信息学,像日本建立的DNA数据库、美国的生物技术信息中心、欧洲生物信息学研究所是发达国家依据生物技术与信息技术融合发展的前景建立的三大数据库。人类基因组计划的开展使得代谢组、基因组、蛋白质组、转录组等生命科学组数据急剧增长,信息技术在生命科学研究邻域有了更大规模的应用。随着信息技术的推进,生物技术逐渐向着系统化、工程化和信息化的方向发展,和向可计算、可定量、可调控、可预测的循环模式跃升,生命科学研究也进入了“数据密集型科学发现”的第四范式时代。

  信息技术与生物技术的融合,改变了生命科学“实验驱动”的发展方式,向着“数据驱动”转型。信息技术的发展得益于生物体的处理过程,受到了更多的启发,是信息技术发展的有力支撑。近年来,产业界和科技界逐渐将目光投向了生物启发计算、DNA存储、神经形态芯片等新的交叉技术领域。相互推动、齐头并进是当前生物技术和信息技术融合发展的新方式,成为了新一轮科技革命的重要驱动力。
 

生物技术与信息技术融合发展的现状及建议
 

  (二)是大国和创新企业的战略选择

  早在2001年,美国各界就高度关注信息技术与生物技术融合的发展趋势。在《会聚观》《21世纪的新生物学》等报告中都提出了生物技术发展的核心驱动力就是信息技术等的会聚。随之在一些重大计划像“精准医学计划”“脑科学计划”等计划中广泛地融入了信息技术手段。同时,美国的信息技术联盟对于“半导体合成生物学”这一邻域十分关注,并实行了重点布局,这些信息技术与生物技术融合的发展举措,加快了生命科学解决方案的开发,催生了信息技术大数据存储和分析的需求。除此之外,各大型信息技术企业也纷纷和生物技术企业或医药投资者展开了战略合作,像美国麻省理工学院与Sunovion、拜耳、巴斯夫等医药制药公司开展合作和交流,再比如,泛林公司作为半导体设备龙头企业,已经在合成生物学研究等方面做好了战略布局,还有像谷歌、微软等大型信息技术企业也加强了和大型生物技术企业的战略合作。

  (三)催生更多的新兴布局空间

  生物技术和信息技术的融合发展,像美国的“脑科学计划”“人体微生物组计划”等项目,也将促进人工智能、健康、工业等更多的新兴布局空间。生命组学与半导体领域的交叉融合,将促进生物电子细胞、CAD/CAM等的发展;与通信领域的交叉融合,将带来移动医疗、可穿戴设备、电子处方等的发展;与互联网领域的交叉融合,将带来人机交互、远程医疗等的发展;与脑科学领域的交叉融合,将促进计算神经科学、3D生物学等的发展。

  二、生物技术与信息技术融合发展带来的变革

  (一)新的科学发现

  下级结构形成上级结构,上层设计约束下层单元,这是生命系统和信息系统共有的特征。器官是由组织形成,组织是由细胞构成,细胞是由分子组成,同样地,在信息系统中,互联网的作用的发挥得益于计算机,计算机由模块组成,模块由逻辑门组成,逻辑门由晶体管组成,二者的结构、功能、系统组成有一定的可比性,部分与整体、运行于调控、结构与功能的规律认知必将引领生物技术与信息技术融合发展的新科学发现。

  (二)新的产业模式

  生物技术与信息技术融合发展在促进催生更多的新兴布局空间的意义下,也必将驱动产业新模式的形成,改变传统工业、农业、服务业的发展模式,带来新模式、新业态、新产品的创新,带来像分子影像、生物线路、核酸界面、体外诊断、生物服务等新兴产业模式。

  (三)新的技术发明

  生物技术与信息技术融合发展,已经在多个领域催生了技术新发明,生命信息的计算、存储和感知,启发了基因合成DNA存储、人工交互、系统生物学分析等技术的开发,催生了生物纳米物联网、生物传感器等新技术。也带动了合成生物学开放语言、生物学计算机辅助设计等设施的开发,使得现代生物的形态得到更大程度的丰富。“会聚技术”发展的动力和源头也将在生物技术与信息技术的不断融合发展中找到更多的思路,带来“涌现效应”。

  (四)新的制造能力

  生物技术工程的发展得益于信息技术的引入,在细胞制造、DNA合成等方面有了强有力的支撑工具,实现了质的突破。比如在DNA的合成上借鉴了半导体技术,像第二代DNA合成仪的开发通过半导体技术引入了基于硅片的喷墨式合成仪器、物理掩膜法原位合成仪器、喷墨式打印DNA原位合成仪器等技术,这一领域也将走出类似“摩尔定律”的路径。细胞制造产业的发展形成“细胞设计”“细胞制造”“细胞测试”三大环节,需要不同企业协同分工,也将带来细胞制造的成本的下降。这些方面的突破,也为信息技术的带来了新的空间。信息系统的发展实现向“小规模”“高效能”“细胞启发”方向发展,“生物—半导体混合系统”也相比于传统的电子设备具有前所未有的能力。

  (五)新的健康理念

  “生物—社会—心理—环境”的医学模式在生物技术与信息技术融合发展之下有了更加强大的技术支撑,促进该种医学模式以“健康”为中心取代“疾病”为中心;以“全方位干预健康影响因素”取代“单一要素防控”;以“实践优势”取代“理论优势”;以“治已病”取代“治未病”;以“维护全生命周期健康”取代“服务部分人群”;以“社会整体联动”取代“依靠卫生健康系统”等,全面利用健康主动管理、健康状态辨识、健康制动促进、健康风险评估等技术支持“每个人都是自己健康的第一责任人”这一理念,构建起支撑各年龄阶段的、各社会群体的健康信息平台,实现信息共享,推动预防、治疗、康复的一体化发展,早日实现健康管理“一人一方案”“一人一路径”的个性化、精准化、数字化的新健康理念。

  (六)新的环境要素

  细胞、组织、器官、系统,再到土壤、水源、大气,包括近人体空间的小环境。不论是人体的内环境,还是传统的外部环境抑或是环境“新要素”,都是人体健康的重要环境要素,基于生物技术与信息技术的融合,使得这些在以往研究较少的环境“新要素”与传统的环境要素结合起来,开发新技术、新标准、新场景、和新体系,充分研究新环境要素在社会安全、人体安康、家庭安居中的更多作用。

  三、我国生物技术与信息技术融合发展的现状

  我国生物技术与信息技术融合发展与发达国家相比,依旧存在布局上的短板,过于依赖国外生命科学信息分析和采集仪器,在生物技术与信息技术融合发展带来的模式和范式等方面缺少进一步的认知,前沿技术布局的系统性还有待深入。比如在DNA存储这一领域,依旧还面临着诸多的技术问题,现有的编解码方式及纠错机制、生物技术、随机存取等有待进一步的改进。

  四、促进生物技术与信息技术融合发展的建议

  (一)布局前沿引领技术

  以类似“摩尔定律”的性能升级路径为导向,对3D生物学分析和仿真技术、DNA存储与计算技术、人机智能交互技术、细胞半导体界面等前沿技术领域,制定关键技术战略发展路线图,采取工程化的模式,在战略发展路线图的基础上实施前沿技术的布局,实现自主“所有”。

  (二)开发关键共性工具

  通过对环境和体系的模拟验证、仪器的分析、软件的设计,针对跨尺度、高纬度、多模态的生命信息采集工具,仿真感知所需基础模块、原件等,率先布局开发关键共性工具,支持发展所需,在工具的循环中,驱动工具开发能力的提升。

  (三)构建使能技术平台

  构建基于人工智能和大数据的智能化细胞制造平台、生命健康数据平台等使能技能平台,支持协同“所创”,推动理念的融合,促进会聚范式的形成,实现工程协同和技术集成。

  五、结语

  信息技术与生物技术的融合发展为改善和创造新的技术、解决技术难题、促进技术改革提供了新的原理和方式。生物技术与信息技术融合发展是新一轮科技革命的重要驱动力,是大国和创新企业的战略选择,有助于催生更多的新兴布局空间。信息技术与生物技术的融合发展将会带来科学新发现、技术新发明、健康新理念和环境新要素等的变革,信息技术与生物技术的融合发展已成为国际前端研究方向,其发展前景广阔,必然会带来颠覆性的技术与应用。

  参考文献

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  [2]汪洋,陈枢舒,魏鑫,孔丽华,洪学海,廖方宇.生物技术启发下的信息技术革新.中国科学院院刊,2020(01):43-49.
  [3]刘晓,王跃,毛开云,范月蕾,陶诚,陈大明.生物技术与信息技术的融合发展.中国科学院院刊,2020(01):34-40.

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