前沿交叉生物技术及其应用研究报告

更新时间:2015-04-29点击次数:1246次字号:T|T

生物与医药科

调 研 报 告

第 005

科技部中国生物技术发展中心 200610

前沿交叉生物技术及其应用研究报告

——基于生物信息技术的集成创新与突破

摘    要

在生命组学的基础上,生命科学正在迅速地向以整体和相互关系为研究本体的整合生物学(Integrative Biology)或系统生物学(Systems Biology)迈进。从整体上系统地认识生命过程,并在此基础上研发出提高人类健康水平和生活质量、推动社会可持续发展的生物技术和产品,将是21世纪生命科学研究和生物技术发展的主要方向。传统上单一、零散、小规模的生物技术方法以及现有的各种组学技术,已经难以适应这样整体水平的生命科学研究和产品研发的需求。集成多种生物技术以及与其他学科(数学、物理、化学、计算机和信息科学、医学、工程学)的交叉融合,发展前沿性交叉生物技术,已经成为现代生命科学研究和生物技术发展的迫切需求,也是发达国家制定和实施生命科学大科技规划的重要组成部分和关键战略制高点。集成生物信息技术多种生物信息技术与生物数据获取、生物分析测试仪器设备软件系统的整合集成,将成为整个生命科学的核心技术之一,引领生命科学研究和生物技术发展。美国能源部2001年4月提出的旨在了解生命奥秘的 “从基因组到生命(Genome to Life)”的十年规划中强调:“21世纪生物学最重要的任务是在基因组水平上认识生命的奥秘。毫无疑义,达到这个目标将依赖于建立在系统生物学和生物信息学相结合基础之上的新一轮生物信息技术革命”。因此,基于生物信息技术集成创新的前沿交叉生物技术研究与应用的突破,并在此基础上研制全新概念的生物分析测试仪器设备,是未来我国实现生命科学研究与生物技术跨越式发展的重要保证,也是我国今后经济发展的重要驱动力,具有重要的战略意义。

前沿交叉生物技术将以国家科研目标和重大需求为导向,坚持863计划“有限目标、重点突破、加强创新、重视集成、推进产业、实现跨越”的指导思想,瞄准发展前沿,确定战略目标和重点方向,从高起点切入,力求在技术支撑和产品研发两方面取得重大突破,在前沿交叉生物技术发展的重要方面实现跨越式发展。

前沿交叉生物技术从整体上进行系统设计,研究与开发任务按照源头(原始性)创新、平台技术和重大产品三个层次安排。前沿交叉生物技术的重点研究方向包括:生物信息的获取、开发和利用;生物医学信息技术;复杂生物系统计算与仿真技术;化学基因组技术;药物分子设计技术;分子影像技术;高通量检测与生物芯片技术;新概念生物分析测试仪器设备研发。主要研究内容是:充分利用现代科学技术飞速发展、多学科交叉融合的优势,建立高层次的生物信息获取、管理、分析和服务体系;开展基因组、蛋白质组、结构基因组和化合物数据的计算机发掘、处理、分析及可视化研究;重构基因调控网络、信号转导通路和生化代谢途径,从整体上理解基因和蛋白质功能;开展生物实验和生物分子的模拟设计,建立我国高通量、高内涵药物筛选、药物分子设计技术体系;发展分子和细胞水平上的实时动态成像技术,揭示基因表达和生物信号传递的复杂过程;开展微型化、集成化、自动化和并行化的生物检测技术研究,应用于疾病的预测、预防与个体化治疗;同时加强研究新的科研仪器和设备研发。构建服务于我国生命科学研究和生物技术发展的源头创新技术体系和仪器设备支撑系统,实现我国前沿交叉生物技术的跨越式发展。

通过国家科技计划的支持,获得一大批拥有我国自主知识产权的新技术和新仪器设备,大幅度提高我国生命科学和生物技术的创新能力;开发出一大批具有重要应用价值的新靶标、创新药物(农药)、新生物制剂,可用于生物制造、新能源和环境保护、促进特殊生物资源开发利用的新菌种、高活性酶制剂等,提高我国生物技术产品的国际竞争能力,为提高人类健康水平和生活质量、推动社会可持续发展奠定扎实的基础

大力发展前沿交叉生物技术,必将显著提高我国生命科学研究和生物技术的发展水平,显著提高我国重要疾病的预防和治疗水平,为提高我国人民健康水平以及全民族素质提供有效的技术保障;必将为我国生命科学和生物技术的全面发展提供有力的技术支撑,显著增强生物科技原始创新与技术创新能力,推动农业、医药、环保、生物制造、生物能源、促进特殊生物资源开发利用等生物技术及相关产业的发展。

目    录

一、前沿交叉生物技术国际研究开发现状及发展趋势 6

(一)多学科的交叉融合推动生命科学、医药、生物制造、生物能源、环境保护和农业技术的整体发展,已经成为21世纪生物技术发展的必然趋势 6

(二)生物信息技术已经成为前沿交叉生物技术的重要核心 8

(三)复杂生命系统的计算与控制将是21世纪最重要的新兴交叉生物技术,将成为医学和生物学研究的核心驱动力 9

(四)化学基因组技术已经成为化学与生物组学相融合和交叉的新技术,是推动未来生命科学、医药、生物能源、生物制造和农业技术发展的关键技术 11

(五)药物分子设计技术是计算机和信息技术与创新药物研究相互交叉的重要应用领域,已经成为新药发现的核心技术 13

(六)生物医学信息技术是信息技术、分子生物学与临床医学的交叉融合,是后基因组计划研究成果在医疗领域应用的支撑技术 15

(七)分子影像技术是生物学和影像技术的交叉融合,是未来医学模式变革、生命科学和创新药物研究的关键技术 17

(八)高通量检测与生物芯片技术是近十年国际上正在迅速崛起的多学科交叉前沿技术,为生命组学研究、医药和农业技术以及未来医学应用提供支撑 19

(九)现代纳微机电加工技术与生物技术的融合,为新一代生命科学仪器设备的跨越式发展提供重要的保证 20

(十)药物靶标发现与确证是前沿交叉生物技术的一个重要研究领域,是发现新药的突破口 23

二、我国国民经济及社会发展对前沿交叉生物技术需求分析 25

(一)我国研究和开发基础 25

(二)我国与国际先进水平的差距分析 33

(三)我国前沿交叉生物技术需求分析 35

三、总体目标、重点任务和主要研究内容 41

(一)总体目标 41

(二)指导思想 41

(三)具体目标 42

(四)主要研究内容 43

(五)需突破的关键技术 46

(六)可能实现的重大突破 47

四、项目设置 48

(一)专项 48

(二)专题 51

五、组织管理措施 58

(一)顶层设计,加强技术集成 58

(二)项目牵引,发挥基地作用 58

(三)以人为本,注重人才培养 59

(四)产学研结合,整体推进 59

六、生命科学前沿交叉生物技术专项目标实现后,对相关技术领域及产业发展影响的预测分析 59




一、前沿交叉生物技术国际研究开发现状及发展趋势

(一)多学科的交叉融合推动生命科学、医药、生物制造、生物能源、环境保护和农业技术的整体发展,已经成为21世纪生物技术发展的必然趋势

从整体上系统地认识生命过程,在此基础上研发出提高人类健康水平和生活质量、推动社会可持续发展的生物技术和产品,将是生命科学研究和生物技术发展的主要方向。传统上单一、零散、小规模的技术方法,已经难以适应现代生命科学研究模式以及生物技术发展和产品开发的需求。例如,在生命组学基础上,生命科学的研究模式发生了根本的变化,正在迅速地向以整体和相互关系为研究本体的整合生物学或系统生物学迈进。系统生物学是在经典实验生物学、生物大科学、系统科学和计算数学等基础上形成的一门交叉科学。进行系统生物学研究,解决生物能源、生物制造、农作物品质改造、发现新的药物作用靶点等,都需要经典实验生物学和生命组学技术平台,需要计算科学、数学、信息科学等学科的理论和工具,需要在细胞、组织、器官和动物水平获取、检测和分析各种生物参数的技术及相应的仪器设备,更需要新一代数据挖掘、存储、分析、仿真控制的生物信息和计算生物技术;同时,要研制出既能解决人口健康问题,又能创造巨大经济效益的新药,必须应用前沿交叉生物技术,仅仅用于新药筛选的高内涵筛选(High content screening)技术就前沿应用了分子影像技术、生物信息数据挖掘技术和生物数据统计分析技术等。因此,多种生物技术以及生物技术与其他学科(数学、物理、化学、计算机和信息科学、医学、工程学科)的前沿交叉,已经成为后现代生物技术发展的必然趋势,也将成为生命科学整体发展的主要推动力。

发展前沿交叉生物技术,引起了主要发达国家政府和科研院所的高度重视,力图抢占生命科学前沿交叉这一关键领域的制高点。2004年初,美国国立健康研究院(NIH)提出了生命科学研究的路线图(Road-Map)计划,提出要在生化代谢途径和基因调控网络、代谢组学、生命组学数据标准、结构生物学、小分子化合物库的建立、医学生物信息学和计算生物学、纳米医学技术、多学科交叉、基于系统生物学的临床医学等方面,进行前瞻性的布局和大规模的资金投入,新建数十个新的学科交叉研究中心,搭建一大批新的技术平台。英国在本世纪初也提出了e-Science科学研究计划,联合全英计算机领域、生物信息技术领域的著名科学研究机构,发展前沿交叉生物技术,为高水平的生命科学研究提供技术平台,通过生命科学前沿交叉领域的发展推动英国生命科学的进一步研究。

人类基因组计划完成以后,美国能源部在20014月提出了旨在了解生命奥秘的 从基因组到生命(Genome to Life)”的十年规划中强调:“21世纪生物学最重要的任务是在基因组水平上认识生命的奥秘。毫无疑义,达到这个目标将依赖于建立在系统生物学和生物信息学相结合基础之上的新一轮生物信息技术革命。,并进一步提出:从基因组到生命计划的中心任务是在今后十年里完成国家的相应基础设施建设,以实现不断产出的海量生物学数据和生物学知识与以生命组学、生物信息学和计算生物学为基础的新生物学的整合。相应基础设施包括:新的数据库体系、高性能计算能力和网格(Grid)体系,生物学数据分析和模拟的技术体系,生命过程的多信息融合和可视化技术体系等。这说明生物信息技术将成为生命科学、医药、农业技术、生物能源、生物制造和环境保护的核心技术之一,引领整个生命科学研究,成为医药、生物能源、环境保护、农业和生物技术发展的关键驱动力。

(二)生物信息技术已经成为前沿交叉生物技术的重要核心

生物信息学在创建后的很长一段时期内,一直被认为是一个建立在DNA序列和蛋白质序列比较基础上的学科,目的是发现进化关联,并由此进行功能类比。然而,随着生命科学的不断发展,新数据类型的不断出现,生物数据量的海量增长,生物信息学研究已经突破了原有的模式,发展了一系列新的生物信息学研究方法,系统地分析生物体内蛋白质分子或代谢途径间的相互作用、发现生物系统赖以运转的最小构成单元集合及其基因调控的规律等。近年来,基因调控网络分析、蛋白质-蛋白质相互作用连锁图谱构建等方面的研究也取得了较大的进展,为深入进行系统生物学研究奠定了基础。另一方面,生物信息技术发展也非常迅猛,从以往的对DNA和蛋白质序列进行比较、编码区分析、分子进化分析技术,发展到大规模生命科学数据的高性能计算技术、大规模数据整合和挖掘技术、知识发现技术、信息数据的可视化技术、关系型数据库技术、XML数据交换格式、Web Services技术和网格技术等。

生物信息技术的研究范围也扩展到比较基因组学、基因表达和调控网络分析、蛋白质组数据分析、蛋白质结构与功能分析、代谢网络分析、蛋白质设计、酶活性改造、药物靶点发现等领域。基于生物信息技术发展起来的生物学数据整合技术手段和方法、生命系统虚拟现实和模拟技术已经成为系统生物学的一个不可缺少的重要组成部分。生物信息技术也是各种生命组学(蛋白质组学、结构基因组学、代谢组学、药物基因组学等)的研究重要手段,近期发展的许多生物分析测试技术,如高通量检测生物芯片技术、分子影像技术、高内涵药物筛选技术等,更是离不开生物信息技术。因此,生物信息技术已经成为前沿交叉生物技术的核心。

(三)复杂生命系统的计算与控制将是21世纪最重要的新兴交叉生物技术,将成为医学和生物学研究的核心驱动力

以复杂生命系统的计算与控制为技术核心的系统生物学是继生命组学之后生物学的一个新兴的交叉研究方向,代表着二十一世纪生物学的未来。系统生物学主要是在系统科学思想的指导下,采用数学、物理、化学、计算机等各个学科与生物学研究相结合的方法,在整体上系统、定量地研究生物过程,借助和发展多学科交叉的新方法和新技术,研究功能生命系统中所有组成成分的系统行为、相互联系以及动态特性,进而揭示生命系统设计与控制基本规律。系统生物学不仅使我们全息地了解复杂生命系统中所有成分以及它们之间的动态关系,还可以预测系统一旦受到了刺激和外界的干扰后的行为,据此寻找治疗疾病的前沿性方法。因此,系统生物学研究对整个生命科学的发展以及医药工业和临床实践将具有重要的意义。由于研究体系的复杂性和研究手段的多样性,单一生物技术已经不能胜任系统生物学的研究,高水平上的学科交叉,尤其是物理学、数学、工程学、信息和计算科学的引入已经成为进行系统生物学研究的基础和前提条件,同时,系统生物学的研究也呼唤和催生着以学科交叉为基础的新的生物技术的不断涌现。

作为系统生物学的关键技术支撑,复杂生物系统的计算和控制可以分为两个分支,一是数据挖掘工作,即如何从大量的实验数据中找出隐含的规律,并在此基础上提出假设;二是基于生物系统的模拟进行分析,利用计算机模拟检验理论假设,并提供可进行体外或体内实验验证的方案。

多细胞生物的计算和模拟要实现基因→细胞组织器官个体等各个层次的整合。系统科学的核心思想是整体大于部分之和;系统特性是不同组成部分、不同层次间相互作用而涌现出不同于单个组成部分的新的性质;对系统部分或低层次的组成成分的个别分析并不能真正地预测和获知系统高层次的行为。如何通过研究和整合去发现和理解涌现的系统性质是复杂生物系统的计算和控制面临的一个带有根本性的挑战。

系统生物学的研究可以使人们更好地模拟生物系统的行为,从而可以有针对性地寻找最合适的纠正病态系统的干预手段,发展系统的药物治疗方案。同时,由于对系统行为的准确模拟,还可以预测个体疾病的发生,从而提出预防措施和进行个性化医疗。国际上一些研究机构和制药公司已经相继展开了系统生物学的研究。1999年,美国成立了以诺贝尔奖得主Gilman教授为首的由52位杰出科学家组成的细胞信号传导联合研究体(AFCS),其目标是在5年内绘制B淋巴细胞和心肌细胞中1000个蛋白质相互作用网络的详细图谱。美国能源部科学办公室发布的从基因组到生命(GTL计划将于2007年之前拨款一亿零七百万美元,对生命现象进行基本、深入和系统地了解。美国西雅图的系统生物学研究所计划筹集2亿美元的经费,用于嗜盐菌、酵母、海胆和小鼠等模式生物的大规模基因调控和蛋白质相互作用网络的研究。大型制药公司Eli Lilly宣布将在未来五年内投资1.4亿美元用于系统生物学研究。

复杂生命体系的计算和控制技术在信号传导网络分析、药物的吸收、分布、代谢、排泄/毒理(ADME/T)预测、抗癌药物的设计方面开始显示出重要的影响。例如针对表皮生长因子信号传导网络的研究,通过构建信号传导网络,建立了100个以上的与蛋白质-蛋白质结合、酶催化反应、基因转录相关的方程,进行动力学模拟,成功地分析了该途径的复杂行为,为更有效地开展针对表皮生长因子信号传导网络的药物设计提供了基础。在药物的早期ADME/T预测方面,计算系统生物技术主要是通过构建化合物在体内的复杂代谢网络来进行预测。在癌症治疗方法方面,由于癌症是一种鲁棒系统,单一的微扰(单一给药)难以达到破坏整体系统稳定性的目的,这也是为什么到目前为止癌症的有效治疗方案还很少的原因之一。

复杂生命体系的计算和控制技术的发展将给药物研发的整个过程,包括有效靶标的识别及相互调控关系、针对信号传导网络的有效药物设计、药物 ADME/T的早期预测以及复杂疾病治疗方案的设计等方面,带来革命性的变化,是21世纪最重要的新兴交叉生物技术之一,将成为医学和生物学研究的核心驱动力

(四)化学基因组技术已经成为化学与生物组学相融合和交叉的新技术,是推动未来生命科学、医药、生物能源、生物制造和农业技术发展的关键技术

与靶标蛋白、核酸或其他生物大分子特异性结合的小分子,是研究基因功能的有效工具。这一在传统药理学上被用于研究药物作用机理的方法现已被广泛地应用于基因功能的研究,并在此基础上发展成一门新的学科—化学遗传学 (chemical genetics,有人也称之为化学生物学(chemical biology))。人类基因组计划的完成,促使基因功能研究发展到基因组水平,与此对应,化学遗传学技术也推向基因组规模,产生了化学基因组(chemical genomicschemogenomics)技术。化学基因组学的目标是为基因组中的每一个生物大分子(主要是蛋白质)寻找一类特异性结合小分子化合物(天然产物或合成化合物),再用这些化合物为探针研究基因组的功能以及发现新的药物作用靶标、途径和网络。化学基因组技术为功能基因组研究提供了一条新的思路、策略和方法。运用化学基因组技术研究基因组的功能,其产出至少有两种,即基因的生物学功能和调控基因功能的活性化合物。因此,化学基因组技术在药物作用新靶标的发现与确证和新药先导化合物的发现中有较大的潜力。由于这一特点,化学基因组技术受到各国政府、科研机构和大制药公司的高度重视。例如,最近美国国立健康研究院(NIH)推荐的路线图计划(NIH Roadmap) [ http://nihroadmap.nih.gov/]的五个研究方向中,专门设立了化学基因组研究方向。1999年哈佛大学化学系更名为化学与化学生物学系,以SchreiberMitchison等倡导成立了多个学院、多个学科交叉的化学与细胞生物学研究所 (Harvard Institute of Chemistry and Cell Biology) ,在国际上较早开展化学基因组学研究。这一研究所的目标是实现Schreiber教授提出的一个基因一个化合物(one gene one compound)”计划,即为每一个基因发现一个调控其功能的小分子化合物,用于功能基因组研究和药物开发。耶鲁大学基因组和蛋白质组研究中心(Yale University Center for Genomics and Proteomics)专门成立了化学基因组研究小组,从事化学基因组新技术及在功能基因组研究中的应用等方面的研究工作。化学基因组技术在药物作用新靶标发现方面的研究也引起国际制药公司的高度重视,如Eli Lilly公司基于化学基因组技术,发展了一种创新药物新模式—“小分子引导的药物发现模式(ligand-directed drug discovery model,即以小分子化合物为探针,进行功能基因组研究,发现新靶标,在此基础上发现创新药物;Iconix是专门从事化学基因组技术进行新药发现与开发的公司,近年来在药物新靶标的发现与确证以及在化学基因组研究的基础上开发新药等方面有较好的技术积累和产品开发,发展了化学基因组新药研究专用技术ÒDrugMatrix

近几年来,化学基因组技术在发现新基因功能和阐述基因调控通路方面取得了较大的进展,解决了许多遗传学方法不能解决的问题,与基因组和功能基因组技术形成了较好的互补和交叉融合。一系列重要的信号传导途径,如FXR信号传导途径、一些新的G蛋白偶联受体(GPCR)和核受体的信号传导途径,被化学基因组方法阐明。这些结果说明,化学基因组技术在功能基因组研究中有其独特的优势,与功能基因组技术(蛋白质组、结构基因组等)紧密结合,将会在今后的功能基因组研究中发挥更大的作用。化学基因组技术在药物作用新靶标发现方面具有独特的优势,以现有的药物或活性天然产物为探针发现新的信号传导途径和新候选靶标,在靶标发现的过程中同时也对靶标进行了初步的确证,因此,用化学基因组技术发现的获选靶标成为药物筛选靶标的可能性比较大。最近,Eli Lilly公司正在运用化学基因组技术进行激酶组学(kinomics)研究,目的是获得激酶的功能及与疾病关系的信息,发现新激酶、激酶的新功能及其抑制剂,继而开发成新药。

化学基因组技术是化学合成、生命组学、生物信息学、计算生物学、药物化学、药物筛选等技术的前沿交叉技术,在功能基因组研究中确实有其独特的优势,与生命组学(蛋白质组、结构基因组、代谢组等)技术紧密结合,将会在今后的功能基因组研究、药物作用靶标发现和创新药物研究中发挥重要作用。

(五)药物分子设计技术是计算机和信息技术与创新药物研究相互交叉的重要应用领域,已经成为新药发现的核心技术

药物分子设计是计算机和信息技术与新药研发的相互交叉的重要应用领域,是计算化学、化学信息学、结构生物学、药理学等学科的交叉集成技术,其功能是根据药物作用靶标的结构特征、药物作用的机理或调控途径,前沿应用计算机、信息和计算技术,设计具有潜在药理功能的新化学实体(new chemical entity),包括小分子化合物、多肽、核苷酸和蛋白质,目的是缩短新药研发(R&D)的周期,节约新药研发的成本。药物分子设计的发展始于20世纪60年代。自20世纪80年代中期开始,药物分子设计应用于创新药物先导结构的发现和优化,并取得突破性进展。20世纪90年代,药物分子设计技术已作为一种实用化的工具介入并应用到了药物研究的各个环节,现已成为创新药物研究的核心技术之一。

目前,美、英、日、德、法等许多发达国家都在积极支持这方面的技术发展和应用研究,国际上许多制药公司也纷纷投资建立药物设计部门。近年来,已有许多应用药物设计技术获得成功的药物上市,2002国际处方药销售排行前十名的药物,如PfizerLipitorMerckZocorAstra ZenecaLosec,在研发过程中,药物设计技术发挥了重要作用。据2003Drug Discovery World统计,药物设计技术在新药研发过程中节约的直接费用是1.3亿美元,缩短研发周期0.9(合创造利润10~100亿美元)因此,药物设计技术在实用化的基础上获得了更多的认可和更广泛的推广应用,在当今药物公司专利药到期高峰来临,许多药物公司在投资进行R&D时更加理性的时候,投资药物设计的经费逐年增加,2002年国际上17家大制药公司的R&D投资情况表明,药物设计占总投资的25%

近年来,计算功能强大的超级计算机、集群式计算机(Cluster)以及网格计算在药物设计中的应用,特别是基于这些计算工具的虚拟高通量筛选技术(High Throughput Virtual Screening, HTVS)的发展,使药物分子设计无论是速度还是成功率均有了突飞猛进的提高,给药物先导结构的发现带来了新的机遇。药物设计技术也改变了药物筛选的模式,从原先的in vitro(体外筛选)→in vivo(体内)发展为in silico(计算筛选机)→in vitro(体外筛选)→in vivo(体内筛选)。许多公司已将HTVS作为发现药物先导结构的核心技术,并作为今后药物开发的新方向给予重点支持。美国结构生物信息公司(Structural Bioinformatics, Inc., SBI)利用HTVS方法为美国Johnson和日本Yamanouchi等几大制药公司设计了一系列先导化合物,在药物设计和新先导化合物发现研究领域处于国际领先地位;IBMInformaxJohnsonYamanouchi等计算机、生物信息和制药公司纷纷投注大量资金支持SBI进行新药研究;Protherics生物技术公司设立在英国的Protherics Molecular Design Ltd.发展了高通量虚拟筛选方法DockCrunch, 目前正用此方法针对雌激素受体筛选一百多万个化合物的数据库;另一个发展势头较好的药物设计公司是美国的Locus Discovery Inc.LDI, 该公司是一个新的计算机药物设计公司,成立于1999年,其核心技术是HTVS和计算蛋白质组方法,利用这些方法为大制药公司设计先导化合物,LDI公司仅用两年时间,即得到了具有促进血红细胞生长功能的小分子化合物和高活性的抗HIV分子。

目前,基因组计划以及后继蛋白质组、结构基因组和代谢组等计划的实施,也正在深刻地影响着药物设计技术的发展。药物设计技术与生物信息技术的结合,已经应用于药物作用新靶标的发现与确证;基于各种生物组学研究产生的基因调控网络通路(网络)的药物设计方法正在发展之中;与计算系统生物计算的结合,应用虚拟细胞和数字化器官甚至数字化人体筛选和评价药物,是今后药物设计技术发展的一个重要趋势。

(六)生物医学信息技术是信息技术、分子生物学与临床医学的交叉融合,是后基因组计划研究成果在医疗领域应用的支撑技术

人类基因组计划的完成及功能基因组、蛋白质组等研究工作的展开,实验室中进行的基因组研究计划正面临着应用的挑战。正如上个世纪90年代,应用需求推动信息技术的飞速发展一样,基因组研究也必将由于应用需求(如个性化医疗、临床医学诊断、分子药物设计等)的促进而得到快速发展,其中个性化医疗将是基因组计划应用的重要领域,由此也推动组织、加工、处理、分析基因组数据及临床数据的生物医学信息与系统技术的迅速发展。

美国NIH年起动路线图(Roadmap)计划的一个重要目标是为医学研究铺设一条未来的信息高速公路,内容是建立一批(4个)国家生物医学计算中心。欧盟第六框架中基因组学和与健康有关的生物技术方向,重点强调基因组学知识和技术在医学领域的应用及个性化医疗;欧盟的E-Health计划强调生物信息技术与医学信息技术的融合,建立个性化医疗保健系统。

国际上著名的医学信息学组织,如EFMI(欧洲医学信息学联盟)、AMIA(美国医学信息学学会)、IMIA(国际医学信息学学会)等在每年召开医学信息学会议上都有一个主题:研讨生物医学信息技术及发展。欧洲医学信息学协会已将新的挑战:医学信息学和生物信息学的结合列为2005年日内瓦MIE大会的副标题。国外在生物医学信息学方面已经开展的研究,涉及数据、标准、分析、应用等若干层面的生物信息与医学信息结合应用问题。

未来10年内,医生将通过病人的基因组数据与Internet上可获得的数据库(药物、群体数据、临床档案)进行比较来进行疾病诊断及指导病人治疗;临床医师将能够用计算机输出他们病人的遗传构成,从而能够个性化地、有针对性地开药方。

生物医学信息学与传统的临床医疗诊断相结合,形成了面向病人个体基因诊断与治疗的新的临床信息系统产业。以病人个体为中心的医院信息化产品是未来医院信息化产品的核心。在此领域,美国已经形成每年约14亿美元的生物医疗信息化服务的软件产业。美国IT巨头IBM以及日本富士通公司等大型跨国企业都在开发为生物医疗信息化服务的软件产品,争夺生物医学信息技术产品市场。

(七)分子影像技术是生物学和影像技术的交叉融合,是未来医学模式变革、生命科学和创新药物研究的关键技术

分子影像技术以体内特定分子为成像对比度源,利用现代影像技术(如PETfMRI和光学成像等)对活体状态下的生物过程进行细胞和分子水平的定性和定量研究。它将遗传基因信息、生物化学与新的分子探针进行研究,用精密的成像技术来检测,再通过一系列的图像后处理技术,达到显示活体组织在分子和细胞水平上的生物学过程的目的。 分子影像技术在分子生物学与临床医学之间成功地搭建起一座桥梁,它代表了未来医学影像技术的发展方向,被美国医学会评为未来最具有发展潜力的十大医学科学前沿领域之一。

过去五年间,分子影像这一新的研究领域得到快速发展。利用PETMRI和光学成像技术已可以在动物模型中发现转基因的表达、胚胎的发育、追踪单个细胞的运动,以及发现微小的肿瘤等。

美国NIH2000年底成立了的国家生物医学影像与生物工程研究所(NIBIB),2002-2003年投资4000万美元,重点发展以细胞和小动物模型为对象的分子水平的在体检测技术。2004年美国NCI拨款1.55亿美元用于肿瘤成像与分子检测研究。目前全世界已经成立了500多个分子影像中心。

成像技术和分子探针是分子影像的两个基本要素。目前,光学、、磁共振和核素成像是分子影像的三种主要技术。

光学成像方法较多,目前以近红外荧光成像技术的研究最为引人注目。通过检测肿瘤组织中蛋白酶表达水平,判断肿瘤的恶性程度和预后,进而实现了从分子水平来预测肿瘤侵袭性高低的设想。以绿色荧光蛋白、荧光素酶为标志基因的基因表达显像研究也是重要的光学成像方式,可以用于微小肿瘤病灶的发现以及新药的筛选等。但光学成像技术的穿透力有限,目前仅用于小动物模型的研究。

磁共振(MR)分子成像技术的优势在于它的高分辨率(已达到μm级),同时可获得解剖及生理信息,但它的敏感性较低(微克分子水平),与核医学成像技术的纳克分子水平相比,低几个数量级。MR分子影像技术的主要应用包括基因表达与基因治疗成像、分子水平定量评价肿瘤血管生成、显微成像、活体细胞及分子水平评价功能性改变等。MR分子影像技术的弱点是它的敏感性较低(微克分子水平),与核医学成像技术的纳克分子水平相比,低几个数量级。

核医学分子成像技术(主要是正电子发射断层扫描PET)在目前的分子影像研究中占据着极其重要的地位。PET按照放射性分布的绝对量进行连续性扫描,根据动力学原理和图像数据,可对活体组织中的生理生化过程做出定量分析,如血流量、能量代谢、蛋白质合成、脂肪酸代谢、神经递质合成速度、受体密度及其与配体结合的选择性和动力学等。在药理学研究中,用正电子发射体直接标记药物,观察其在活体中的分布和代谢,或测量生理性刺激及病理学过程中药物分布与代谢的变化,从而对药物剂量、作用部位、可能发生的毒副作用等做出前瞻性判断。还可以判断其代谢反应的类型及产物,观察药物与其他药物的相互作用、药物与营养物质的相互作用、药物与受体的作用、药物与酶的相互作用等。

分子影像技术对分子探针的要求:高亲和力,分子探针和经典的造影剂的原理类似,它的一端联有能够和生物体内特异靶点结合的分子结构(如肽类、酶的底物、配体等),另一端是报告分子(可以是报告基因,也可以是荧光染料,或者放射性标记物),分子探针产生的信号则由图像采集系统收集、处理。能克服各种生理屏障,包括血管壁、细胞间隙、细胞膜、血脑屏障等,这是分子成像的一大难点。生物信号放大系统,由于分子探针在体内的浓度非常低,所以需要通过化学或生物的方法使信号放大。这可以通过提高靶点结构的浓度等方法实现。

由上可知,分子影像技术的优势在于:可将基因表达、生物信号传递等复杂的过程变成直观的图像,使人们能更好地在分子水平上理解疾病的发生机制及特征;能够发现疾病早期的分子变异及病理改变过程;可在活体上早期、连续观察药物或基因治疗的机理和效果。

以肿瘤研究为例,现有技术和方法均不足以在活体上揭示肿瘤的早期微转移。传统影像主要依赖非特异性的成像手段进行疾病的检查,如不同组织物理学特性(如组织的吸收、散射、质子密度等)的不同,或者从生理学角度(如血流速度的变化)来鉴定疾病,不能显示具体分子的改变和疾病的关系。因此,只有当机体发生明显的病理或解剖结构的改变时才能发现异常。尽管图像分辨率不断提高,此时发现疾病,已错过了治疗的最佳时机。然而,在特异的分子探针的帮助下,分子影像不仅可以提高临床诊治疾病的水平,更重要的是有望在分子水平发现疾病,真正达到早期诊断。因此,分子影像技术的巨大潜力和不断发展将对现代和未来医学模式产生革命性的影响。

(八)高通量检测与生物芯片技术是近十年国际上正在迅速崛起的多学科交叉前沿技术,为生命组学研究、医药和农业技术以及未来医学应用提供支撑

高通量检测与生物芯片技术是近十年来国际上正在迅速崛起的多学科交叉的前沿技术,涉及生命科学、信息科学、光电子学、微机械加工、分析化学、材料科学、纳米技术等多种工程技术和学科;包括生物芯片技术、微流体技术、微纳米生物技术、原位即时检测技术等。 高通量检测与生物芯片技术的特点在于微型化、集成化、自动化和平行化,检测的对象在于微量化。该技术的功能具有高灵敏度、高速度、高信息量等优势,同时需要多学科交叉,多技术应用,新原理和新设计的探索,科研和产业化的衔接等。高通量检测与生物芯片技术将开辟生物医学技术的新领域和产业,推动基因组学、蛋白质组学、药物组学等生命组学的进一步发展, 特别是为疾病的个体化治疗提供其它技术所无法胜任的技术和手段。

高通量检测和生物芯片技术是后基因组研究的最为重要的技术平台,也是未来医学中对于疾病的预测、预防和个体化医疗的最具潜力和最具竞争性的手段和方法。高通量检测和生物芯片技术各国都十分种十,国际上发展十分迅速。目前,基因表达芯片已经广泛地应用于生物医学体系的

(九)现代纳微机电加工技术与生物技术的融合,为新一代生命科学仪器设备的跨越式发展提供重要的保证

人类基因组计划的胜利给了科技界一个启示:科学的发展从来没有象今天这样,如此强烈地依赖于技术或仪器的进步。用中国传统哲学思想加以诠释,即是:工欲善其事,必先利其器。在后基因组时代,随着对生命现象认识的进一步加深,生命科学研究对于仪器发展的要求也愈来愈高,比如,全球推进的如火如荼的蛋白质组计划。目前蛋白质组的仪器平台是建立在双向凝胶电泳和生物质谱之上的。然而,其远远满足不了蛋白质组研究的需要。一个非常明显的缺陷是:它对于中、低丰度蛋白质的检出完全无能为力。更不用说检测其动态变化。这种景况在代谢组学研究中更为惨淡。因此,着眼于世界科学发展的角度,发展全新的仪器技术,对于生命科学研究的进一步、可持续的发展,具有非常重要的现实意义。而着眼于中国,这种现实意义更加紧迫、形势更加严峻。

无庸讳言,中国在中、高端的仪器设备方面完全依赖进口,生命科学领域的研究仪器也不例外。先不考虑花费大量外汇的问题。由于意识形态、国家安全和国家竞争等方面的诸多原因,在高端的仪器设备的进口方面,我国受到很大的限制。因此,中国在全球科技创新能力发展方面,极大地受制于国外。从长远发展的角度来看,这对于我国在核心领域的竞争和整个国家前沿国力的提升甚至国家安全方面,处于极为不利的局面。因此,全力发展我国的生命科学仪器,实施我国本土生命科学仪器战略计划,已刻不容缓。

鉴于对生命科学发展的共识以及仪器平台对于生命科学研究的重要性,国际上对生命科学相关仪器的研究与开发持续升温。在国外,仪器研发主要是以市场为导向,公司作为投资主体展开,国家则在战略层面进行适度引导。最近,日本启动了新一轮庞大的仪器研发计划,在未来6年内,由文部科学省每年投入80亿日元用于新型分析型仪器的研究与开发工作,抢占国际市场竞争的制高点。

生命科学仪器由于其庞大的市场份额,而成为全球大公司角逐的战场。根据SDi 2004年初提供的报告表明,2002年全球仅基因组、蛋白质组和药物发现等生命科学仪器销售额就超过100亿美元,并预计在未来5年内以每年8.8%的发展速度递增,大大超过全球经济整体发展速度预期。加上其它分析仪器销售额220亿美元(2006年预计达到320亿美元),构成了全球性庞大的分析仪器市场。

进入21世纪,随着生命科学大科学研究计划的实施,对生命科学仪器的要求更加强烈。纳微机电加工技术的发展,使得生物分析测试仪器的集成化、微型化和高通量成为发展趋势。纳微机电加工是新近崛起的工程技术,是机械加工、微电子、信息技术和光学技术等领域的核心研究方向,并代表了未来工业先进制造中的主流之一。基于纳微机电加工技术的生物传感系统是国际上具有前瞻性的发展方向,对于在微空间和纳米尺度上探索生命的奥秘具有重大意义。

例如,在人类基因组计划实施之初, 进展非常缓慢,被迫修改计划,并开始强烈支持测序仪器的研发。毛细管阵列电泳仪的发明及时地扭转了时局,美国塞内纳公司仅用3年半的时间便完成了整个人类基因组序列的草图。最近,测序仪研发又取得重大和突破性进展,美国加州大学伯克利分校Mathies博士建立了以微流控芯片实验室为核心的测序方案,将PCR技术与毛细管电泳技术在微流控芯片上进行超大规模的并行集成,据推测,采用该技术测定整个人类基因组,仅需要花费3周时间、8千美元。

在医学诊断方面,无创伤测量或称非侵入式测量是在临床诊断中最易被人们采用的一种测量方法,因此研究各类人体生理和生化参数的无创或微创测量方法仍然是21世纪创造和开发新型诊断仪器的主要源泉。在体外(尤其是在体表)采用光、电、声、化、热等手段检测人体中的各种光、电、声、化、热等机体功能信息,以及利用各种电离辐射,如X射线、g射线等,和非电离辐射(如超声波、红外线等)方法来提取和检测体内器官、组织的形态信息和功能信息,仍然是目前无创测量的主要技术手段。

20世纪的科学成就,使人类通过测量技术,拓宽了宏观和微观两方面的视野十万倍以上,目前各类现代化医用诊断仪器,都是各类新科技的前沿运用,都是进行生命科学和工程技术交叉研究的成果。进入21世纪后,科学技术的前沿化速度将会明显加快,尤其在生命科学和医疗技术中,要对人类的感觉、运动、学习、记忆、感情、行为与思维、发育、生长、衰老和死亡、生命的起因与演变,以及人类与环境的相互关系等一长串为什么作出回答。因此必须运用多学科交叉的研究方法,即采用自然科学、工程技术与社会科学相互交叉的研究方法来实现。 预计,21世纪的生物测量和医学诊断技术将在这一新高度上有所突破。例如,在微型医疗器械方面,日本政府从2002年度起实施了纳米医疗器械开发计划,开发毫米级的内窥镜。

因此,现代工程技术,特别是纳微机电加工技术与生物技术的融合,为新一代生命科学仪器的跨越式发展提供重要的机遇和保证。

(十)药物靶标发现与确证是前沿交叉生物技术的一个重要研究领域,是发现新药的突破口

药物创新研究与开发主要包括两方面的内容,一是化合物创新,即根据现有靶标发现新结构类型活性化合物;二是药物靶标的创新,即前沿运用生物信息学、计算生物学、分子和细胞生物学、药理学以及现代分析测试等方法和技术发现药物作用新靶标和调控通路或网络。从源头创新上讲,药物新靶标的发现比化合物创新更具科学价值和实际意义,它将成为产生“重磅炸弹式创新药物的源头,为快速、高效地发现新型药物提供重要契机。例如,HMG CoA还原酶作为药物靶标的发现,导致了一系列他汀类降脂药物的发现。仅2003年,该类药物的销售额约150亿美元,并以每年1520%的速度增长。最近,Novartis公司利用慢性粒细胞性白血病(CML)相关蛋白Bcr-Abl为靶标,在短时间内开发出有效治疗CML的新药高活性Bcr-Abl激酶抑制剂STI571Gleevac)。近年来,国际上药物靶标发现与确证呈现出如下几个显著的特点:

生命组学技术与传统的细胞和分子生物学、药理学等技术紧密结合,用于发现和验证新型药物靶标,取得了蓬勃的发展。例如Bayer公司投资4.65亿美元委托美国千年药业公司在5年内开发225种药物新靶标。他们运用生物信息学、基因芯片等技术,在短期内发现了80个新靶标,仅用18个月的时间就完成了从药物靶标验证到候选药物的临床前研究;又如美国Pharmacopiea公司在进行霍乱弧菌基因组研究中,通过基因序列生物信息分析、分子模拟、基因芯片测试等,在短时间内就得到了抗霍乱的药物候选靶标,为筛选新药提供了重要依据。

化学基因组技术在药物靶标发现中发挥了重要作用(见上)。

最近发展起来的系统生物学为发现多基因和病毒感染等复杂疾病的治疗药物提供了新的思路和方向,使得人们关注在疾病相关基因调控通路和网络水平上研究药物的作用机理、代谢途径和潜在毒性等,也使在细胞水平全面评价活性化合物的成药性(Druggability)成为可能,为新靶标的功能确证提供了新的策略和方法(见上)

在细胞水平上实现检测指标的多元化和功能化的测试分析技术,如高分辨率的荧光数码影像系统和分子影像技术,特别是具有高时空分辨率的分子功能光学成像技术,为获得细胞产生的多维立体和实时快速的生物效应信息,进行靶标确证,提供了新的手段。

验证药物靶标的方法很多,如基因剔除和最近发展的RNAi技术等。然而,最有力的证据还是所发现的靶标是否可以应用于药物筛选,并成功的发现新药,即靶标的成药性。为此,必须找到抑制或激活候选靶标的活性分子,再将活性分子作用于细胞和(或)动物模型,根据作用效果判断候选靶标的成药性。进行这一工作的前提是需要大量的蛋白质用于活性化合物的筛选和药物设计蛋白质结构的测定等。因此,大规模、高通量蛋白重组表达、纯化技术在药物靶标发现与功能研究中的重要性日益明显。

因此,药物靶标发现与确证将成为前沿交叉生物技术的一个重要研究领域,这也是今后创新药物研究的突破口。

二、我国国民经济及社会发展对前沿交叉生物技术需求分析

(一)我国研究和开发基础

近年来,我国在前沿交叉生物技术发展和应用方面取得了较大的发展,建立了一批研究平台和基地,培养了一批优秀的学科带头人, 一支富有创新能力的研究队伍。

1.现有基地

通过国家科技计划的支持,我国已经形成了一批高水平的前沿交叉技术和服务中心及基地。

在生物信息技术方面,已经形成了北京、上海两个为中心的生物信息技术研究和服务基地,在生命科学基础数据共享、数据库建设和生物信息技术软件开发等方面奠定了一定的基础。北京大学早在近十年前已经建立了我国第一个国际公共核酸镜像数据库,建立了欧洲国际公共数据共享网络组织的中国节点。中科院上海生命科学研究院、军事医学科学院放射医学研究所是国际蛋白质组学数据标准建立的参与单位,并已经着手开发基于国际数据标准的蛋白质组学数据库体系和我国自有的核酸、表达谱、蛋白质分子作用网络数据库体系。中科院北京基因组学研究所则已经建立了国际上第一个杂交水稻父本全基因组数据库等全基因组数据库。此外,中国科学院、国家人类基因组南方中心、北方中心和清华大学等单位还建立了微生物基因组数据库、蛋白质二维凝胶电泳数据库、人类疾病相关单核苷酸多肽性序列数据库、疾病基因数据库、亚细胞定位数据库、可变剪切数据库,这些数据库在我国生物科学研究和生物技术发展中起了重要作用。同时,我国通过自主研发和引进,在生物医学信息技术方面,已经具有一定的平台基础,如生物芯片技术、高性能蛋白质质谱仪、高通量的DNA测序仪等,并在此基础上,发展了一些以医学应用为目的的生物医学信息分析相关软件工具,已经形成一定规模与水平的生物医学信息基础设施。

1999年起,根据国际化学基因组的发展状况,我国也相继成立了与化学基因组研究有关的研究机构。北京大学、南京大学、湖南大学等十余所高校相继成立了化学生物学系,中科院上海生命科学研究院和上海有机化学研究所成立了化学生物学联合研究中心,中科院北京化学所和大连化物所也成立了化学生物学研究室。

目前全国已有80余家院校和研究机构建立了药物设计(包括农药设计)研究部门,从事药物设计的课题组有100多个,这些研究机构均建立了一定规模的药物设计平台。有些研究机构(如中国科学院上海药物研究所药物发现与设计中心、北京大学物理化学研究所、军事医学科学院毒物药物研究所药物设计实验室、中国科学院上海有机化学研究所计算机化学实验室、南开大学农药工程中心等)形成了以药物(包括农药)设计为特色的研究方向,在国内外产生了重要影响。十五期间,在科技部和地方政府的支持下,以中国科学院上海药物研究所、北京大学物理化学研究所、军事医学科学院毒物药物研究所等从事药物设计的核心单位为基础,建设了基本具备国家级研发中心规模的药物设计研究基地。基地已经建立了国际先进水平的药物设计平台,建立了从基因组到药物创新药物的研究模式,开展了新靶标发现与确证、先导化合物的发现与优化等工作。基地建立后,已经有效地服务于科研院所和制药企业,实现了药物设计的规模化,极大的提高了我国创新药物的研发能力。同时,基地建立的平台在我国功能基因组研究中也发挥了重要作用。在进行药物设计基地建设的同时,在科技部和地方政府的支持下,也进行了新型的机制和体制创新探索,药物设计基地分设北京和上海两个中心,分别与两个研发型的制药公司-北京摩力克科技有限公司和上海先导药业有限公司形成战略联盟。

国内已经有多家研究单位开展了分子影像学研究,如武汉光电国家实验室生物医学光子学研究部、哈尔滨医科大学分子影像研究中心、浙江大学分子影像中心和PET医学中心、华中科技大学PET中心和湖北省生物信息与分子成像重点实验室等。全国近20家大医院在临床上运用分子影像技术对恶性肿瘤、冠心病和脑部疾病等疑难重症的早期诊断和鉴别诊断,以及配合手术、药物治疗观察等发挥了重要作用。

在科技部、国家发改委、科学院和教育部等单位的支持下,全国成立了一批生物芯片研究中心和基地,如生物芯片北京国家工程研究中心和上海生物芯片公司以及生物芯片上海国家工程研究中心;一些芯片公司也相继成立,如北京博奥生物芯片有限责任公司、上海博星基因芯片有限公司和上海华冠生物芯片有限公司。此外,清华大学、华中科技大学、西安交通大学、中国医学科学院、军事医学科学院等几十个科研院校成立了生物芯片研究中心。

在全球经济日益一体化的大背景下,我国生命科学仪器研发迎来了前所未有的机遇。一方面,国家支持建立了一批基础工业研发基地,如微电子技术基地、精密机械加工基础、纳微机电加工基地以及信息产业基地等,另一方面,国际市场对中国日益开放,能够选用或采购的基础元器件和仪器设备范围日益扩大,使得生命科学仪器的研发更加依赖于“而不是基础工业条件。近年来,随着国家科研投入的加大,我国生命科学仪器市场增长迅速,国内很多企业和科研院所都加大了研发基地的建设力度,并形成了规模。浙江大学、东南大学、华中科技大学、西安交通大学等单位发挥传统工程学科的优势,在生命科学仪器研发方面已经建立了良好的基地。

2.人才队伍

通过基地和平台建设,我国在生物学数据整合、数据库应用技术、数据标准研究、生物学数据库建设等方面已经形成了一支多学科交叉的研究和技术开发队伍,已经在基因识别、蛋白功能研究,蛋白相互作用信息获取,基因调控机制的研究等方面做出了出色的成绩,发展了一些有特色的,适于高通量相互作用网络数据分析的软件与数理分析方法;开发了蛋白质相互作用网络谱分析、网络可视化、蛋白质质谱分析、蛋白质功能预测、蛋白质结构功能分析等软件包;分别在《Science》、《Nature Biotechnology》、《Bioinformatics》、《Nucleic Acids RES》等国际一流科学杂志发表了大量的相关研究文章,完全能够胜任重大专项数据库技术研究平台的建设、开发和数据整合方面的研究工作。可以说,由于国家863计划在九五后期和十五期间的支持,我国目前已经完全具有建立国家级生命科学数据共享和服务管理中心、开展深入的生物信息技术研发的技术基础和人才队伍。

目前从事化学基因组研究的人才队伍也在逐步壮大,全国大约有100余课题组从事化学基因组研究,其中中科院院士1人,工程院院士2人,国家杰出青年基金获得者10余人。

在药物设计人才队伍建设方面也取得了卓越的成效,涌现出一批药物学科带头人,其中中科院院士1人,国家基础青年基金获得者10余人,并在中国科学院上海药物所、北京大学物理化学研究所和军科院毒物药物研究所等单位形成了药物设计研究群体。

对于分子影像学,我国科技界也给予了高度重视,并纷纷开展了一系列学术研讨活动。20031030日在杭州举行了主题为分子影像学的香山科学会议(194),明确地提出了我国发展分子影像学的必要性、可能性和紧迫性。200310月在武汉举行了主题为生物分子光子学的香山科学会议(217),充分展现了光学成像技术在生物医学和分子影像学研究中的魅力。200410月由哈尔滨医科大学和首都医科大学联合主办的首届中国分子影像学高级研讨会,就分子探针合成、血管基因治疗成像、磁共振脑功能成像、荧光分子成像等议题,以及我国分子影像学的发展策略进行了广泛而深入的讨论,我国从事分子影像技术研究的队伍正在不断壮大。

我国有二十余家科研院校和十余家公司从事生物芯片研究和技术产品开发,已经形成了十分庞大的研究队伍,其中国家青年基金获得者近10人,在北京、上海、南京和西安等地还形成了生物芯片研究群体。

在生命科学仪器研发国际化的大背景下,人才队伍是关键。我国从事生命科学仪器研发的人才主要来自机械工程、电子与信息工程、光学工程和生物医学工程等学科,每年都有相当数量的博士和硕士毕业。近年来,国内科研人员利用自主研发或改进的仪器设备从事科学研究,取得了令人瞩目的成果。例如中科院生物物理所郭爱克院士利用改进的视觉飞行控制器研究果蝇,2002年在Science发表论文;华中科技大学徐涛教授等人研制的膜片钳,已经达到国际先进水平并销往海外。随着科研需求的增大,国内从事高技术含量生命科学仪器研发的队伍也在不断增大。此外,留学人员也是从事生命科学仪器研发的重要队伍。

3.技术储备

我国的计算生物学与生物信息学研究在国家863973、及自然科学基金委员会相关项目的支持下,在十几年的时间里经历了从无到有,到逐步壮大的发展过程。北京大学、中科院上海生命科学研究院、北京生物物理所已经分别成立了系统生物学研究所和研究中心,在蛋白质相互作用和功能连锁、信号转导和生化代谢途径网络的系统研究方面开展了大量的研究工作,发表了系列的生物信息学和系统生物学研究论文。我国已经有成熟的生物芯片技术、高性能蛋白质质谱仪、大批高通量的DNA测序仪,以及其它一大批开展系统生物学研究必须的研究设备;万亿次高性能计算机和海量存储服务器已经在为主要的生物信息技术研究中心提供计算服务。

通过近年来的发展,我国已经建立了化学基因组技术研究所必须的技术。建立了生物信息学研究基地(见上);建立了高通量虚拟筛选药物设计平台和研究基地;建立了基因/蛋白质芯片、蛋白质组、结构基因组和其他功能基因组研究平台和基地;在上海药物研究所、国家新药筛选中心、北京大学化学系、北京化学药学院、军事医学科学院和医学科学院等单位相继建立了组合化学和高通量筛选技术平台,化合物的合成能力和筛选能力大大提高;在小分子-蛋白质结合测试技术方法方面,我国也发展了一些特有的技术,如大连化物所的毛细管电泳方法,中科院北京化学所的SPR生物传感器方法等,同时,我国也引进了国外的一些测试方法和仪器,如上海药物所、上海有机化学所、北京大学等单位购置了Biacore3000,上海药物所还购置了Biacore S51,实现了精确测定化合物与蛋白质结合的高通量化。

在药物设计方面,建立了基于超级计算机和集群式计算机的分子模拟和虚拟筛选技术平台,筛选速度达50100/天,筛选命中率达到国际领先水平;发展了具有我国自主知识产权(版权)的药物设计方法,包括快速分子对接方法、从药物设计方法、精确药物-受体相互作用方法、ADME/T评价方法和组合库设计方法等。近三年来,共进行了500万多药次的虚拟筛选,在此基础上进行了2万多药次在实验筛选,发现活性化合物2000余个,经结构优化,已经有一批化合物进入临床前研究。863支持的药物设计项目,已经有1个专利药物获得生产批文,相当一部分进入或即将进入临床研究的化合物实现了技术转化(制药公司投资合作开发)。因此,药物设计的产出已经进入发现一批活性先导化合物、储备一批药物获选物和转化一批创新药物的良性循环期,为十一五期间我国创新药物研究的跨越式发展,实施药物研究全价值链上的集成创新奠定了扎实的基础

分子影像技术主要涉及成像设备和分子标记技术两方面。我国在这方面已经有较好的技术储备。在分子标记技术方面,湖南大学化学计量学国家重点实验室、中科院有机所、华中科技大学等单位在小分子标记、纳米荧光标记以及量子点标记技术方面有相当好的工作积累。分子成像设备研制方面,浙江大学和华中科技大学正在从事动物PET研制;中科院武汉物理与数学研究所在MRI的使用与改进方面有丰富的工作积累;中科院上海光机所、武汉光电国家实验室在分子光学成像设备研制与改进方面拥有自主知识产权的技术。这些技术储备为我国深入开展分子影像技术研究提供了良好的基础和条件。

从19979月关于生物芯片的香山科学会议召开后国内共有二十余家科研单位先后开始了生物芯片的研发。在开始的两年多时间内,他们所依赖的资金主要是国家的科研基金,如国家自然科学基金、863计划基金、973计划基金,数量较为有限,总数不足一千万人民币。在这些科研单位中,东南大学的吴健雄实验室起步较早,于1998年提出了具有特色的分子印章法,进行高密度基因芯片的制备。清华大学于1997年底成立的生物芯片研发中心,一开始就瞄准生物芯片国际前沿领域,进行各种生物芯片创新技术(如主动式微阵列芯片、样品制备芯片、芯片实验室)及其相关设备的研究与开发,获得了一批国际专利,编著了国际上第一本英文生物芯片技术专业书籍Biochip Technology》,在北京主持召开了为期4天的“2000年国际生物芯片技术论坛,并因其突出的研究成果引起了国家对生物芯片研发的进一步重视和国际同行的一致好评。中科院上海生命科学研究院与国家人类基因组南方研究中心、瑞金医院上海市血液学研究所、上海市内分泌学研究所、上海肿瘤研究所等单位合作,建立了cDNA阵列技术并开展了相关的应用研究。利用该技术对肝癌和正常组织的基因表达谱进行分析,发现了一批在肝癌中高表达的基因,并通过其他技术手段进行了验证,该成果在美国科学院院刊(PNAS)上发表;此外还利用该技术对造血干细胞、神经内分泌组织中克隆的新基因在不同组织和细胞系中的表达差异进行了研究,相关的成果也在Genome ResearchPNAS等国际权威杂志上发表,标志着我国在生物芯片研制和应用研究方面有了一些实质性的进展。另外军事医学科学院、复旦大学、中科院上海冶金所、中科院上海细胞所、华中科技大学、中科院大连化学物理研究所、浙江大学、重庆大学、天津医科大学、第一、三、四军医大学、西北大学等一些科研院所和大学相继投入生物芯片领域的研究,在被动式基因和蛋白芯片方面和某些微流体芯片方面取得了一定的成绩。另外值得一提的是,西安交通大学第二医院病理科最近研制出了中国第一块组织芯片,成为世界上少数几家研究成功此技术的单位之一。

生命科学仪器的发展需要交叉学科的参与。我国在机械工程、材料工程、电子与信息工程、光学工程和生物医学工程等学科领域已经有较好的技术储备。例如,武汉光电国家实验室已经建立了纳微机电加工技术基地;中科院光电集团(主要服务于国防)在精密机械加工,特别是光学元器件的加工方面积累了相当丰富的经验;我国的微电子工业技术基础对于研发生命科学仪器完全足够。在具体的仪器研制与产业化方面,国内科研人员也积累了较丰富的经验。例如重庆医科大学王智彪教授研制的超声治疗设备,已经形成产业,并曾获国家科技进步二等奖。深圳迈瑞公司建立了医疗仪器国家工程中心,通过与科研院所合作,已经有较好的技术储备。总之,对于生命科学仪器的研发而言,技术条件已经基本成熟,但起点较低,因此更需要国家引导,促进产业的早日形成与发展。

(二)我国与国际先进水平的差距分析

在“十五”863的支持下,我国生物信息技术研究和应用取得了很大的成果。但是由于我们起步较晚,底子薄,积累不足,目前国内重要的研究基地还集中在北京和上海等地,普及工作还需进一步推动。我国主要的研发及其应用工作还局限在国内,国际影响力较弱,许多研发出来的软件还需要进一步优化,以推向世界。许多数据库系统还需要进一步完善,以增加国际影响力,人才队伍还需要进一步壮大。另外,大力推动生物信息技术的产业化,改变在国际上的落后局面,势在必行。最为重要的是,我们到目前为止还没有建成中国自己的、可以与欧、美抗衡的国家级生命科学数据中心。这项工作,应该是十一五”863需要重点予以关注的重要任务之一。

与发达国家相比,我国实际上还未真正开展化学基因组研究,上述建立的化学生物学系和研究机构仅仅开展一般意义上的化学遗传学(生物学)研究。我国没有开展化学基因组研究的主要原因如下:(1) 目前我国开展化学遗传学或化学生物学的主力军是原先从事化学研究的研究人员(以有机化学和分析化学为主),大部分从事生物学,特别是基因组研究的人员还没有意识到化学基因组技术的重要性;(2) 由于从事化学基因组研究的队伍主要来自化学专业,缺乏生物学训练,不能进行深入的生物学问题研究;同时又缺乏与基因组研究队伍的合作,因此,国内化学基因组技术研究的规模仅仅停留在化学遗传学的水平,还没有达到基因组水平;(3) 此外,我国大的科技计划中还没有设立化学基因组技术研究专项基金,也没有建立专门从事化学基因组研究的平台和基地。

我国药物设计技术已经达到国际先进水平,与发达国家的主要差距在于大部分研究单位药物设计与实际创新药物研究脱节,药物设计在创新药物研究中的地位还没有引起足够的重视。

我国在分子影像研究领域已取得初步成果,具体表现在基地的建设、设备引进、人才培养和项目的支撑上。但与发达国家相比较,还存在着相当大的差距,具体体现在以下几方面:(1)在基础设施建设上,与发达国家相比,非常薄弱。现有的系统平台和设备几乎完全依赖进口,而且更新慢,缺乏具有自主知识产权的核心技术;(2)国内现有资源的协作整合有待进一步加强。目前各个研究单位还处在低水平重复状态,一方面资源有限,而另一方面却又因为不合理的布局,缺乏整合而造成资源的浪费;(3)国家在项目引导和支持上还缺乏足够的力度。与发达国家相比,我国在这方面的投入还相当小,政府支持不够,而且在整体规划、学科方向引导方面还存在严重不足。

与国际先进水平相比,我国生物芯片技术的集成创新能力还十分薄弱;在有些关键领域,如蛋白质芯片,还没有实现技术突破;生物芯片的通量、灵敏度、自动化程度等还不高;同时,生物芯片产品的市场占有率较小。

我国生命科学仪器起步很晚,基础非常薄弱,前期投入也非常少,而且主要集中在低端产品,科技附加值低,从而形成了整个产业的非良性循环,致使在中、高端仪器上基本依赖进口。这,对于一个世界大国而言,是非常尴尬的。可以粗略统计一下,如果中国对生命科学研究经费的50%用于仪器的话,这将是一个多么可怕的数据,如果将科学院在生命科学仪器基础设施建设和教育部211工程与985工程计划加在一起的话,将是一个天文数字。这也是为什么尽管我国生命科学仪器的保有额不高,但全球都看好中国市场的根本原因。中国是目前世界上仪器进口增长最快的国家。在全球经济日益一体化和科技竞争日益全球化的大背景下,此种局面若不及时加以改变,势必严重影响我国生命科学研究的发展。

(三)我国前沿交叉生物技术需求分析

1.产业发展对前沿交叉生物技术的需求

21世纪是生物经济时代,生物技术和产品将是我国今后增强前沿国力的重大支柱产业。这一产业的发展迫切需要前沿交叉生物技术。

据欧洲《市场和研究网》统计,目前,国际上累计与生物信息技术相关的资金投入已高达数十亿美元,并开始获得较大回报;一些大生物信息技术公司,如Accelrys公司的市场增长率可以高达76%。而美国《经济学人网》则估计,到2005年生物信息的市场价值将达到400亿美元。目前国际上大多数发达国家、新加坡甚至像印度都在针对系统生物学研究的技术支撑组建相应的生物信息技术公司,公司架构几乎无一例外都是建立在整合的公共和自有数据库、基于科技文献文本挖掘知识建立的知识库、生物系统数学建模方法、工具、大型计算机和存储器、灵活的工作流软件分析系统的基础上,其核心竞争力则体现在知识库和生物系统的数学建模方法上。而我国到目前为止还没有一家这样的公司,这是十分不正常的。这一现象说明国内对技术产业的认识还不够,也从另一个方面说明发展生物信息技术产业的环境还有待改善,国家有必要予以重视,加大投入。在国际上对于生物信息资源的争夺、利用和开发已经趋于白热化的今天,我们已经落后于人,必须急起直追。

国际上一些公司的阵列型芯片(特别是基因芯片)产品已经得到用户的认可,并体现出巨大的市场潜力。目前,生物芯片的市场份额大致为:阵列型芯片占90%以上,微流体分析芯片不到1%。其应用领域划分大致为药物筛选约40%,科学研究约25%,基因多态性检测约15%,医药诊断约1%。根据NASDAQ公布的公司信息,美国Affymetrix 公司2000年的销售收入为2亿美元,已开始进入盈利的状态。估计2000年美国生物芯片及其相应的服务总值(不包括研究单位自制自用的部分)可能在5亿美元以上。美国总统克林顿在国文咨询演讲中(19981),将基因芯片看作是引导人们一生平安健康的指南。据美国财富杂志估计:到2005年生物芯片的产值可达到40亿美元以上,2010年达到400亿美元。一些乐观的估计指出在今后的五年内,生物芯片的市场销售就可达200-300亿美元。中国是世界上人口最多的国家,生物芯片的市场容量十分巨大。但是,目前我国生物芯片的市场尚未得到有效开发。其原因主要有:进口的芯片价格和使用成本太高,使国内研究单位和医院无法承受;目前国内生物芯片的种类、质量和价格尚不能满足使用者的要求,生物芯片技术的标准化和正确性尚待提高,研究者投入大量的资源后往往得不到满意的结果;生物医学工作者与基因组研究工作者进行合作所开发的基因组基础上的诊断技术的基础研究不足;医药行业的R&D投入不足,在基因组研究基础上的新药开发工作薄弱,没有将生物芯片的巨大潜力很好地发挥出来。如果我国生物芯片的产品种类、可靠性以及价格能够达到一个合理的水平,那么中国生物芯片的市场无疑将是十分巨大的。根据国际上生物芯片产业的发展速度作保守推测,到2005年我国生物芯片的市场将达到5亿元以上。其中,表达型基因芯片的使用量将达到2亿元(主要包括药物筛选、基因功能的研究),突变和基因分型检测的芯片为1亿元(基因型和基因突变的检测),诊断型芯片为1亿元,其他的生物芯片在1亿元以下。预计2010年我国生物芯片的产值将达到400亿元左右(1%人群进行个体基因型的检测和建库,以及诊断型芯片的大量应用将创造出巨大的市场空间)。而由生物芯片带动的相关产业(如制药、生物工程、医疗、生物信息)的产值将大大超过这一数字。国外基因芯片的价格正在不断地下降,一些著名公司(如AffymetrixNanogenAgilent等)均纷纷看好中国市场,已经在我国设立代理,开拓我国的生物芯片市场。我国的生物芯片技术研发和产业化正面临严峻的挑战。在这样的关键时刻设立该项目其重要性显而易见。它的设立将进一步支持我国生物芯片领域的创新研究,加速技术整合与产业化的步伐,使我国能早日研制出能为科研和药物研发服务的有效生物芯片技术平台,形成我国诊断研究的生物芯片系列产品及相关服务行业。

此外,我国还没有生命科学仪器的自主研发能力,生物科学仪器的市场占有率几乎为零。但我国生物科学研究和生物技术产品开发需要大量的仪器设备。中国是目前世界上仪器进口增长最快的国家。高分辩质谱已经成为当今功能基因组研究的主要工具,我国每年要从发达国家进口大量的质谱仪,目前我国每年进口的质谱仪已占国际市场的第一位;测定生物分子相互作用的生物传感器BiaCore是高附加值生物测试仪器,每台价格在3070万美元,近两年我们进口了大约10余台BiaCore,今后的需量还会增加;X-衍射仪和核磁共振仪器是结构基因组和疾病诊断的重要工具,我国每年也从国外进口大量的X-衍射仪和核磁共振仪器。中国对生命科学研究和生物技术的经费相当一部分用于购置仪器设备。由于现在和可以预见的未来,国家对生命科学投入将持续增长,我国对生命科学仪器的需求将剧增,这对于发展我国自主的生命科学仪器,是一次难得的历史机遇,如果抓住了,可能会彻底改变中国长期依赖国外进口的局面。另一个重要意义在于,生命科学仪器的发展,将极大地带动我国相关基础学科的研究和相关基础工业产业的发展,对整个国民经济的协调发展将起到重要的推动作用。

总之,推动前沿交叉生物技术,可以促进我国产业的发展,也可以形成以往没有的新生物技术产业。

2.人口与健康对前沿交叉生物技术的需求

提高人民的健康水平和生活质量,是我国实现小康的重要任务。然后,我国正在向老龄化社会发展;社会发展,生活方式的改变也使我国的疾病结构发生了改变,糖尿病、肥胖和心脑血管疾病的数量急剧上升;各种新的传染疾病严重威胁着我国人民的生命与健康。发展快速、灵敏、价廉的疾病诊断、预测、预防和治疗手段以及食品安全检测方法,是国家在人口和健康领域的重大需求,前沿交叉技术能在这方面发挥重要作用。

分子影像技术无论在基础生命科学研究还是在产业开发中都处于核心地位。由于分子影像技术所具有的产业辐射功能,其在相关产业开发中的作用日益凸现,特别是在医疗健康、制药和现代农业领域,表现得相当突出。例如,分子影像在重大疾病的诊断和治疗以及药物开发等应用领域获得了突飞猛进的大跨越。以美国为首的发达国家纷纷不惜代价斥巨资抢占制高点,形成核心竞争力,通过获得分子影像的知识产权,向相关产业如医疗卫生、保健、制药等迅速扩展。分子影像技术的发展不仅使各种疾病的早期诊断成为可能,还可以明确疾病的分期、分型,提示疾病的恶性程度和预后,也可用于各种治疗方案的疗效评价,目前已被应用于肿瘤、心血管疾病和神经系统疾病等重大疾病的研究中。分子影像技术在基础生物学研究中的应用十分广泛,特别是随着人类基因组学和蛋白质组学的发展更是拓宽了分子影像技术在基础医学中的应用研究范围。随着小动物成像方法和分子标记技术的平行发展,科学家已经能够检测活体动物体内各种疾病基因的表达、细胞凋亡过程和肿瘤相关蛋白酶活性,显示小动物(小鼠、鱼、小鸡和青蛙)胚胎发育过程中细胞和分子的变化。分子影像技术在新药开发中的应用是分子影像技术产业化的一个重要方向。分子影像检测技术能够实时显示目标药物分子的分布与运动轨迹,准确、直观、动态地再现生命分子的活动时空,在新药开发研究中具有重大意义。高分辨率的分子影像技术的出现,为新药的研究和开发提供了一个新的技术平台。它能在同一活体动物上全程监测新药在体内的变化,也可在任意时间间隔无创伤性地重复研究。这种研究代替了过去从大量样本中收集数据,获取平均值的方法,可直接获取各脏器和组织中定量的、动态的药效学和药代动力学参数。既节省了实验动物,特别是昂贵的疾病模型动物,又做到了真正的体内快速定量检测,从而有助于药代动力学、生物学分布、药效活体动物和实验动物模型的活体内进行的生理和病理过程的分子显像。此举可大大提高新药研究的有效性和准确性,缩短新药研究的周期,减少新药研究的投入资金,引起了全球医药界的极大关注。例如,到2001年底,全世界投入的microPET,医药大企业占三分之一。此外,高通量检测和生物芯片技术在疾病的诊断、预测、预防及个体化治疗中起重要作用。

随着功能基因组研究成果在医疗领域的逐步应用,未来临床诊断与治疗必须建立在临床信息与基因型信息结合的基础上。一方面,疾病预防、诊断、治疗将变得更加准确;另一方面,临床医生将面临生物医学数据呈爆炸性增长,诊断过程将变得更加复杂。基于遗传信息的决策支持系统、辅助临床医师解释分子标记数据的专家系统、智能化临床决策支持系统等将成为临床医生必不可少的工具。从医疗需求出发,目前我国有医疗保健机构数十万个,县级以上医院17000个,未来10年会形成500亿元的市场潜力,对生物医学信息技术产品有着强烈的需求。众所周知,我国在医疗领域所用先进信息产品基本上从国外引进,巨大的生物医学信息技术产品市场被国外占据。我们应当抓住21世纪生命科学发展对医学带来变革的机会,抢占生物医学信息技术优势,进而形成面向医疗应用的生物信息技术产品优势与产业优势。

3.现代制药国际竞争对前沿交叉生物技术的需求

随着人类对健康水平和生活质量的要求不断增长,医药产业的发展前景十分广阔。据统计,1997年世界医药市场的总销售额约为2200亿美元,2002年增至4006亿美元,2010年预计将达到6000亿美元。我国在未来的5年到15年内,随着经济的发展和人民生活水平的提高,人们对医疗和生活质量的要求将使现代医药产业在整个国民经济中所占的比重有很大的提高,2000年我国的药品销售额近200亿美元,预计2010年将达500亿美元,2020年将有可能成为世界上最大的药品市场。由此可见,现代医药产业将成为我国21世纪的支柱产业和新的经济增长点。大力加强我国创新药物的研究与开发对我国高新技术产业的发展,乃至我国经济和社会的可持续发展具有十分重要的意义。

我国有13亿人口,迄今仍有许多严重威胁人民生命健康的常见病、多发病缺乏有效的防治药物,如心脑血管疾病、病毒性传染病(肝炎、艾滋病等)、肿瘤、免疫性疾病、老年性疾病等。针对这些重大疾病,不断研究和创制新的优良药物,是确实保障我国人民的健康,维持社会稳定的紧迫需求。随着国际和国内医药市场需求的迅速增长,我国的医药产业和医药技术必须尽快实现跨跃式发展,才能适应日趋激烈的国际和国内医药市场竞争。

许多前沿交叉生物技术已经融入到创新药物的各个环节中,生物信息技术、化学基因组技术等在药物靶标发现中发挥重要作用,药物技术已经成为药物发现的核心技术,分子影像、生物芯片技术已经广泛应用于药物筛选、药效评价和毒理研究。因此,发展前沿交叉技术,将有利于提高我国新药研制的创新能力,增强医药产业的国际竞争力。

三、总体目标、重点任务和主要研究内容

(一)总体目标

大力提高前沿交叉生物技术在我国生命科学研究和生物技术发展中的贡献率,使其真正成为增强我国生命科学研究和生物技术发展的有力技术支撑,切实提高我国生命科学研究和生物技术发展的创新能力和国际竞争能力。

(二)指导思想

坚持“发展高技术,实现产业化的指导思想,重视生命科学前沿研究、发展生物领域共性技术,为在未来20年实现我国建成生物技术强国、生物产业大国目标的第二步战略,即生物产业的快速崛起(2006-2010年)奠定理论与技术的坚实基础。大力加强与发展生物高技术密切相关的生命科学前沿技术的研究,注重与数学、物理、化学、工程、信息技术、计算机科学的交叉融合发挥各学科的优势,以生物技术与信息技术的整合以及与其它学科的交叉为主要切入点,注重与八六三计划其它高技术领域相关技术的衔接,注重单项技术的突破与全价值链上的多项技术的集成创新,提高生物高技术的源头创新能力,促进生物技术在医药、农业、新能源、环境保护等各个领域的应用并带动相应产业和整体科技水平的提高。从国家生命科学发展总体布局和需求出发,密切结合人民身体健康、经济可持续发展和国家安全的重大需求,瞄准国际生命科学发展前沿和产业化应用,有所为,有所不为,以提升国家在生命科学领域科技创新能力和增强国际竞争力为目标,以原始创新性研究和自主技术研发为主线,遵循科技发展规律,选择对我国生命科学研究的长期发展具有深远意义的一些重大项目,集中力量加以支持。为我国的生命科学技术进步、人才培养、学科交叉、创新活动和科技成果转化提供发展空间,为促进生物和医药技术产业化、推动环境资源保护和再生、保证医疗健康事业快速发展、确保国家生物安全、突破生物制造、生物能源关键技术起到重要的推动作用,为最终强化我国科技领域国际竞争能力提供关键的驱动力做出贡献。为国家在生命科学与生物技术学领域的基础研究和应用开发提供源头型技术支撑,为生命科学的发展以及整个自然科学的发展产生积极而又深远的推进作用。

(三)具体目标

建立国家生物信息中心,形成有效的生命科学基础研究数据的共享机制、集成生物信息技术支撑体系,确定生命科学与现代生物技术研究相关的元数据标准、数据交换标准、数据库建库标准以及数据注释规范,发展不同层面、目的、来源的实验或分析数据的系统集成能力;通过网格协同技术的应用,建立国家生命科学与技术研究网络科技条件平台。

建立生物医学信息技术体系,为疾病的诊断、预测、防治和个体化治疗奠定基础。

完善药物(农药)分子设计基础,形成规模化靶标发现、药物设计和药物研发系统,为实现我国从医药大国向医药强国转变奠定基础。

发展具有我国自主知识产权的前沿交叉生物技术,研发新概念生物分析和测试仪器设备,打破国外生物仪器设备的垄断,形成一定的产业规模。

建立一系列前沿交叉技术平台,获得一批重大产品,包括生物分析测试仪器和试剂、重磅炸弹药物(农药)和药物获选物、先进的生物仪器设备、生物信息和药物设计工作流和软件包等,申请一批可产业化的发明专利和著作版权,发表一批高水平论文。

形成一支强大的前沿交叉生物技术发展和产品开发的队伍。

(四)主要研究内容

1.前沿交叉生物技术平台建设

建立生命科学与生物技术数据标准和数据交换标准体系、相关数据库体系以及数据共享与基础服务平台;生物信息学与系统生物学研究中的软件集成开发技术平台;生物制造相关的生产菌株的功能基因组学和代谢网络研究的技术平台;复杂生命系统的计算、模拟与控制研究的通用技术平台;探针分子合成和筛选技术平台;化学-生物信息交互式分析技术平台;基于生命组学和系统生物学的药物靶标发现和药物设计平台;高效化合物合成和筛选平台;生物医学信息处理与手术导航平台;构建多元化的实时在体分子检测的技术平台;高通量检测与生物芯片技术的批量化制造和检测技术平台;新概念生物测试和分析仪器设备研制的技术集成研发平台

2.生物信息的获取、开发和利用研究

发展高通量和高内涵数据采集、处理与分析技术;开展生命科学研究与生物技术应用中的实验设计技术研究;开展分子网络相互作用信息的高通量获取技术研究;开展对生物制造行业发展有普遍意义的生产菌株、有重要工业和医药应用价值的极端微生物的功能基因组学、遗传背景和代谢网络研究;开展复杂生命系统多种观测数据的整合与可视化技术研究;发展基因组结构信息、蛋白质功能预测、基因调控网络、信号转导通路和生化代谢途径研究的新算法、新方法;建立基因组、转录组、蛋白质组功能注释的本体论模型、数据标准和注释体系,开展面向生命科学和生物技术的知识发现方法研究

从我国制药、能源、化工和环保等重要领域中有针对性的选取部分可产生重大效益或对行业发展有普遍意义的生产菌株,开展其基因组和功能基因组学研究,分离和鉴定重要功能基因并获得专利,对遗传背景清晰和代谢网络明确的重要工业微生物生产菌株进行代谢途径和遗传网络调控的研究,改造和构建新的代谢工程菌株,满足新型工业生物技术产业提高生产效率,降低生产成本和减少环境污染的需求。

3.复杂生命系统的计算、模拟与控制技术

建立具有自主知识产权的生物网络数据库;发展生物分子结构及相互作用模拟方法;开展模式生物系统的网络研究和重要信号传导网络的研究;研究细胞动态过程、生理及病理和药理过程模拟的理论与技术方法;发展基于计算、模拟与控制技术的药物早期ADME/T预测技术;建立复杂生命系统的计算、模拟与控制的技术研发环境;开展合成生物学和整合生物学研究。

4.化学基因组技术

建立共享的用于基因功能研究的探针化合物库;发展新的化学合成技术,包括用于生物偶联(bioconjunction)和标记(tagginglabeling)点击化学(click chemistry)合成技术,活性天然产物及其类似物的生物合成技术等;发展集群式高通量筛选技术;开展高内涵筛选(High content screening)技术的研究;发展计算化学基因组和化学-生物信息交互分析技术。

5.药物设计技术

发展基于药效分子碎片的全新药物设计方法,基于疾病相关基因调控网络的药物设计方法,ADME/T和类药性预测方法,药物制剂和晶型预测方法,生物技术药物设计技术等;开展大规模、高通量、高效率化合物合成研究;发展高通量和高内涵相结合的药物筛选技术;研究早期药效、药代和毒性评价技术以及针对重大疾病相关靶标及其调控网络进行具体药物设计。

6.生物医学信息技术

分布式生物医学信息数据共享体系,新一代生物医学数据库系统;面向病理、生理功能分析的生物医学仿真技术,基于生物医学信息模拟的手术导航技术;服务于个体化医疗及预防医疗的生物医学信息平台技术;生物医学计算平台技术

7.分子影像技术

开展细胞、组织、器官和动物水平检测基因调控通路和网络分子影像新方法、新技术和新系统研究;研究疾病诊断分子影像技术,包括表型和功能分析的分子影像技术,疾病潜伏阶段和临床阶段使用的分子成像技术,面向临床应用的分子影像可视化技术;发展药物筛选、药效学评价、代谢和毒理学测试专用分子影像测试技术;开展分析和挖掘分子影像技术获得数据的生物信息技术研究,建立分子影像数据库。

8.高通量检测与生物芯片技术

发展疾病诊断、预测预防和个体化治疗相关高通量检测和生物芯片技术;发展基于生物组学研究的高通量检测与生物芯片技术,用于发现和寻找重要功能基因的调控网络,药物作用新靶标、药物筛选和药物安全性评价,食品安全性的检测等;发展用于糖功能组研究高通量检测与生物芯片技术。

9.新概念生物检测和分析仪器设备研发

针对重大生命科学问题,发展纳微尺度的生物智能传感技术;整合分子影像技术高通量检测、纳微生物智能传感技术以及微机电加工技术、集成的生物信息技术,创制新概念生物检测和分析仪器设备,如检测基因调控网络动态过程的设备、活体水平无()创伤生物信息获取设备、基于生命组学的系统生物学研究设备、创新药物研发新设备、高内涵药物筛选与安全性评价设备、纳微医疗设备等。

(五)需突破的关键技术

1.海量不完整数据的处理与分析技术;海量异构生命科学数据的管理、整合和分析技术;数据挖掘与知识发现的工作流技术;

2.基于非同源性分析的基因与蛋白质功能预测技术;

3.基因调控网络、信号转导通路和生化代谢途径重构技术;

4.复杂生命系统多种观测数据的整合与关联分析技术

5.快速获得大量活性探针的化学(生物)合成及其筛选技术;

6.小分子-生物大分子相互作用的超高灵敏测试分析技术;

7.基于疾病相关基因调控网络的药物设计技术;

8.化合物早期药效和毒性预测及其实验评价技术;

9.生物技术药物设计技术;

10.分子影像获取数据挖掘、识别和分子的生物信息技术;分子功能成像信息的整合、模拟和可视化;

11.高通量检测和生物芯片技术的微制造、微分析和检测技术;

12.仪器设备的智能化、微型化和集成化技术和高通量、高灵敏探测分析技术。

(六)可能实现的重大突破

1.在生物信息技术集成创新方面取得突破,获得一批具有重要科学价值的数据库、知识库产品和发明专利,以及一批在蛋白质科学研究中具有重要科学应用价值的生物信息学和系统生物学分析软件,建成面向生命科学与生物技术产品开发的生物信息工作流程设计系统,提高我国生物信息技术的国际地位和竞争能力。

2.在计算系统生物技术发展方面取得突破,发展具有自主知识产权的生物网络数据库,推动我国的系统生物学研究,使我国的系统生物学研究在国际上占有一席之地,并由此带动我国的计算系统生物软件开发以及基于系统生物学的医药产品的研发。

3.在药物发现方面取得重大突破,发现糖尿病、癌症、神经退行性疾病和病毒感染等一系列重大疾病可能的药物靶标,推动我国功能基因组研究。同时在此基础上研发出具有自主知识产权和国际影响的重磅炸弹式药物,为我国医药产业的腾飞做出贡献。

4.在前沿交叉技术应用方面取得突破,发展高通量检测和芯片技术,分子影像技术,疾病诊断、预测、防治和个体化治疗技术,研制新概念生物分析检测仪器设备及与仪器设备配套的数据库和软件分析系统,为提高我国人民的健康水平提供重要技术和手段。

四、项目设置

根据国际发展趋势以及我国生物技术的发展情况,在“十一五期间,生命科学前沿交叉生物技术交叉领域拟设置如下三个专项和七个专题。

(一)专项

1.生物信息技术

研究目标:建立基础设备完备的国家生物信息中心;建成一批集成创新的生物信息技术平台;创建面向生命科学、生物技术的软件工程技术体系;开发具有市场前景的通用和专用的生物信息技术软件包;形成我国生命科学数据共享的技术标准和服务体系;通过新算法、新方法的研究,取得系统生物学应用研究的突破,引领生命科学向整合、定量科学转变,推动生命科学、生物技术信息化,促进我国生命科学和生物技术实现跨越式发展和生物信息技术的产业化。

研究内容:

(1)搭建我国生命科学、生物医药、生物技术产业发展的基础科学数据共享条件平台体系;

(2)研究建立整合的微生物功能基因组研究、微生物代谢工程技术研究的生物信息学技术平台体系;

(3)发展细胞水平上的复杂生命系统计算、模拟和仿真的新算法和集成生物信息技术;

(4)发展生物医学知识发现技术,进行生物信息的获取、数据分析以及开发和利用研究,建立信息完备的生命科学数据库和知识库。

(5)发展面向生命科学、生物技术发展的信息分析技术、软件工程技术、专用生命科学数据存储和管理技术以及工作流技术;

(6)研究大型生物学异构数据库的集成技术、海量生物学数据的传输、复制与存储技术、数据一致性维护技术、基于XML的数据库管理系统等关键技术。

预期成果:

(1)国家生物信息中心;

(2)生命科学数据共享技术标准体系;

(3)细胞水平上的复杂生命系统计算和模拟的新算法、数据分析和知识发现技术;

(4)整合的微生物功能基因组研究和微生物代谢工程技术研究的生物信息技术平台体系;

(5)生物信息的获取、开发和利用技术;

(6)面向生命科学、生物技术的软件工程技术,包括:数据库技术、工作流技术、Web Services技术和网格技术;适合生物信息技术软件产品开发的工具集、模块化的形式工作语言以及相应的软件工程技术体系和生物信息技术软件开发的质量控制体系;

(7)面向生命科学、生物技术的通用和专用分析软件、信息管理系统;

(8)新一代生命科学专用集成数据库系统,新型的基于XML的生物学数据库管理系统;

2.药物设计

研究目标:根据国家创新战略需求,系统集成创新药物分子设计全价值链上的关键技术,包括制约药靶识别和确证的关键生物信息技术、制约药物先导物发现的高通量虚拟筛选技术和制约药物先导物优化的化学合成技术以及药效、安全性预测和早期评价方法,发展基于基因调控网络的药物设计新方法,以药物分子设计研究与开发为突破口,以独创的新技术和新方法来带动计算机辅助药物设计和生物大分子模拟等关键技术在新药研究与开发中的应用,突破我国创新药物研究先导化合物结构发现的瓶颈,提高我国药物分子设计研究与开发的整体水平和前沿实力,引领我国创新药物研究,促进我国医药产业的跨越式发展。

研究内容:

(1)进一步完善我国药物设计平台和基地建设;

(2)发展新的药物设计方法,如考虑生物大分子柔性的分子对接及其评价方法,基于药效分子碎片的全新药物设计方法,基于疾病相关基因调控网络的药物设计方法,ADME/T和类药性预测方法,药物制剂和晶型预测方法,生物技术药物设计技术等;

(3)发展大规模、高通量、高效率化合物合成新技术;

(4)高通量和高内涵相结合的药物筛选技术以及早期药效、药代和毒性评价技术;

(5)针对重大疾病,进行规模化药物设计、先导化合物发现与优化和新药开发研究。

预期成果:

(1)基于生命组学和系统生物学的药物设计平台;

(2)功能齐全、具有自主知识产权和国际影响的药物设计软件包;

(3)一批能发展成重磅炸弹药物(农药)前景的先导化合物和生物技术药物候选物;

(4)若干具有广阔市场前景的药物上市,促进我国医药产业进入医药强国行列。

3.新概念生物分析检测技术及设备研制

研究目标:针对未来生命科学、医学诊断与治疗、药物创新、农业及工业生物技术、食品与生物安全等发展的重大需求和技术瓶颈,整合分子影像高通量检测与生物芯片、纳微生物智能传感、微机电加工、以及生物信息等前沿高技术,发展一批新概念生物医学检测和分析仪器设备,逐步摆脱我国目前重要生命科学和医学仪器主要依赖进口的局面,实现我国生命科学技术领域中仪器和设备的跨越式发展。

研究内容:

(1)高通量检测、生物芯片及其集成技术;

(2)微机电加工及生物智能传感技术;

(3)生物测试和分析仪器设备数据分析、软件平台;

(4分子影像、无创/微创生物与医学诊断设备;

(5)研制系统生物学、生命组学以及药物筛选相关的新的分离与集成分析系统;

(6)研制用于疾病诊断、保健医疗与传统医药相关的检测设备。

预期成果:

(1建立我国生物医学仪器高层次的创新研究平台和较为成熟高技术产品开发环境;

(2)研制出一批新概念生物医学检测仪器和分析设备,应用于相应的生命科学研究、临床医学、新药开发、食品与生物安全等领域;

(3)与上述新概念生物医学检测仪器和分析设备配套的软件系统和数据库。

(二)专题

1.复杂生物体系的计算、模拟和控制技术

研究目标:根据系统生物学研究的发展趋势和需求,建立和完善复杂生物体系的计算、模拟和控制的技术体系,实现虚拟生命系统的模拟和控制,研究复杂功能生命系统中所有组成成分的系统行为、相互联系以及动力学特性,揭示生命系统设计与控制的基本规律。

研究内容:

(1)建立复杂生命系统的基因调控网络、信号转导通路、生化代谢途径识别和重构的数据基础;

(2)建立复杂生命系统的理论建模、网络动力学模拟和控制的技术平台体系,从整体上理解基因和蛋白质的功能,了解疾病发生和发展的基本规律;

(3)建立基于系统生物学的理论和技术,系统地发现药物作用靶点的理论和技术平台体系;

(4)建立基于系统生物学理论和技术,预测分析药物吸收代谢分布基本规律的理论和技术平台体系;

(5)发展复杂生命系统计算、模拟和控制系统的方法,推动软件的开发以及基于系统生物学的医药产品的研发。

(6)建立基于系统生物学分析理论、计算方法的药物早期ADME/T预测技术平台;

(7)开展虚拟细胞研究,在生物网络建模基础上,发展模建生物网络间通讯及调控的技术;针对1-2种重要细胞,开展虚拟细胞建模工作。为细胞整体功能研究、基于细胞功能的虚拟药物筛选等提供技术;

(8)开展虚拟器官研究,选择1-2人类重要器官(如心脏、肝脏),在不同层次上开展虚拟器官的模建,探索整体器官的生命活动规律及疾病状态,为器官水平的疾病控制及药物设计提供技术,为整体动物水平的建模奠定基础。

预期成果:

(1)与系统生物学研究配套的复杂生物体系的计算、模拟和控制技术平台;

(2)若干用于生物学实验研究的细胞信号传导网络通路理论模型;

(3)若干具有成药性前景的药物作用靶标及其调控网络通路理论模型;

(4)结合实验研究,获得12个新型细胞信号传导网络通路模型,和12个重要药理功能的药物作用候选靶标。

2.化学基因组技术

研究目标:建立完整的化学基因组技术平台,加强化学基因组技术与应用研究基地建设。在应用研究方面,以重要疾病的功能基因组研究为切入点,以活性化合物为探针,开展糖尿病、癌症、神经退行性疾病和病毒感染疾病的发病机理研究,发现可能的药物靶标。

研究内容:

(1)建立共享的用于基因功能研究的探针化合物库;

(2)发展新的化学合成技术,包括用于生物偶联(bioconjunction)和标记(tagginglabeling)点击化学(click chemistry)合成技术,活性天然产物及其类似物的生物合成技术等;

(3)发展集群式高通量筛选技术;

(4)发展高容量筛选(High content screening)技术;

(5)发展计算化学基因组和化学-生物信息交互分析技术;

(6)进行若干重要疾病靶标发现的化学基因组研究。

预期成果:

(1)探针分子合成和筛选技术平台,获得一批具有重要生物功能的探针分子;

(2)化学-生物信息交互式分析技术平台。

(3)快速获得大量活性探针的化学(生物)合成及其筛选技术;

(4)小分子-生物大分子相互作用的超高灵敏分析测试技术;

(5)基因网络调控化学基因组测试分析技术系统;

(6)获得12个药物作用新候选靶标或新途径。

3.生物医学信息技术

研究目标:面向国家医疗卫生发展的需求及个性化医疗保健需求,建设我国生物医学信息技术体系,国家级生物医学信息数据库体系,以及生物医学计算平台;发展基于基因组信息的疾病预测与诊断技术,

解决面向疾病预测、预防、诊断的若干关键技术;发展组织器官生理、病理过程的模拟仿真技术及手术导航系统,研发具有主知识产权及国际竞争力的生物医学信息处理软件及系统,促进我国生物医学信息技术产业形成。

研究内容:

(1)生物医学信息的获取、加工及分析,包括:生物医学数据库体系建设,整合临床数据与遗传数据的电子病例管理系统开发;临床医学数据库构建,临床环境下分子生物学数据的收集、整理,临床/遗传数据的知识表示与挖掘;

(2针对重要疾病的发生、发展的动力学和诊断治疗相关的实验和理论建模,以及计算、系统模拟和控制技术研究;

(3生理/病理模拟仿真与手术导航技术,包括:人类重要组织、器官的生理、病理模拟、仿真,以及医疗手术导航技术;

(4)基于基因组信息的疾病预测与诊断技术、

个性化医疗信息系统平台研发;

(5)生物医学计算平台技术,包括:生物医学知识表示技术,海量生物医学信息管理技术,生物医学信息安全技术,生物医学信息检索技术,远程医疗信息支撑技术。

(6)数字人体技术

预期成果:

(1)分布式生物医学信息数据库体系;

(2)人体重要组织器官的虚拟仿真与手术导航系统;

(3)个性化医疗信息支撑系统平台及个性化电子健康监测系统;

(4)生物医学信息处理平台;

(5) 数字化人体。

4.分子影像技术

研究目标:发展对活体动物或人体实现多模式高分辨的分子功能影像技术,从形态、解剖、功能、代谢等多方面阐明生物分子的功能,研究疾病的发生机制,在体评价药物的作用机理、药效、代谢和毒性。开发和研制高灵敏、多功能、特异性的分子探针,用于在体研究生物分子的功能和疾病的早期诊断。

研究内容:

(1)发展细胞、组织、器官和动物水平检测基因调控通路和网络分子影像新方法、新技术和和新系统;

(2)发展研究疾病诊断分子影像技术,包括表型和功能分析的分子影像技术,疾病潜伏阶段和临床阶段使的用分子成像技术,面向临床应用的分子影像可视化技术;

(3)发展药物筛选、药效学评价、代谢和毒理学测试专用分子影像测试技术;

(4)发展分析和挖掘分子影像技术获得数据的生物信息技术;

(5)挖掘、识别和分析重要分子影像测试数据,建立分子影像数据库;

(6)应用分子成像技术进行生物医药应用研究,包括重大疾病(肿瘤、心血管、代谢障碍和神经退行性疾病)的诊断、功能基因的调控网络探测、药物作用靶标及其相关基因网络的发现等。

预期成果:

(1)多元化(光、磁、核等)的实时在体分子检测的技术平台;

(2)分子影像获取数据挖掘、识别和分子的生物信息技术以及成像信息的整合、模拟和可视化技术;

(3)一批用于分子功能标记的探针试剂;

(4)若干拥有自主知识产权的活体细胞内分子动力学过程测试的成像系统;

(5)药物筛选、药效学评价、代谢和毒理学测试分子影像系统。

5.高通量检测与生物芯片技术

研究目标:建立与生命科学研究和生物技术产业发展密切相关的高通量检测与生物芯片技术;开展与之相关技术的创新研究和技术集成,获得具有自主知识产权的系列高通量检测和生物芯片产品、相关试剂及配套仪器设备。在此基础上,形成能在国际上立足的、具有创新发展能力的生物芯片研发体系和产业雏形,为我国的基因组研究、新药开发、医学诊断和治疗以及生物检测等生物技术行业提供有力的技术支撑。

研究内容:

(1)发展疾病诊断、预测预防和个体化治疗相关高通量检测和生物芯片技术;

(2)发展基于生命组学研究的高通量检测与生物芯片技术,用于发现和寻找重要功能基因的调控网络,药物作用新靶标、药物筛选和药物安全性评价,食品安全性的检测等;

(3)发展用于糖功能组研究高通量检测与生物芯片技术。

预期成果:

(1)获得一批具有自主知识产权的高通量检测和生物芯片技术的微制造和微分析技术;

(2)建立若干高通量检测与生物芯片技术的批量化制造平台;

(3)获得一批用于疾病预测的高通量检测和个体化医疗的生物芯片产品;

(4)建立用于功能基因研究和新药发现的高通量检测与生物芯片技术系统。

6.生物电信号高分辨率提取和脑机交互技术

研究目标:随着认知神经科学、生物电信号检测技术、计算机及网络技术、无线通信技术等迅速发展,人和机器之间的多模态信息交互越来越受到关注。研究多种生物电信号的高分辨率提取、分析和重建技术,开发高信息容量的脑机接口技术,利用神经科学的研究成果,实现人类认知、情绪以及精神活动的机器感知,控制和反馈,为我国相关的智能信息系统研发、医疗和教育的研究与实践提供新的技术与手段。

研究内容:

(1)脑电、肌电、神经电信号等生物信息的高分辨率提取、分析和重建技术

(2) 便携式、可穿戴生物电信号检测装置以及无线传输系统;

(3) 生物电信号与机器接口和信息交互技术;

(4) 生物信息的远程传输和远程感知技术;

(5) 感知觉、情绪等复杂生物信息的检测、分析和反馈;

(6)基于生物电信号的突发性疾病自动无线监控系统及其装备。

预期成果:

(1)开发出一批实用性强的脑机接口高技术产品和系统;

(2)开发出一批基于生物电信号的医疗和康复仪器和实用装备;

(3)实现脑电信号等复杂生物信息的检测和分析技术,开发出一批有自主知识产权的医疗设备。

五、组织管理措施

随着国家中长期科学和技术发展规划的完成,科技计划的全面落实,一定将全面推动我国科学技术的进步,863计划作为发展我国高技术,实现产业化的科技计划,科技规划的缜密设计和管理措施的严密可行必将为生物技术的发展和生物产业的形成、发展和壮大,成为国民经济的重要支柱产业,为我国全面建设小康社会起到决定性作用。

(一)顶层设计,加强技术集成

国家科学和技术中长期发展规划的制定,已经为我国各级科技计划制定了宏伟的蓝图。在此基础上,结合前沿交叉生物技术的自身特点,加强生物技术、物理、化学、计算和信息科学及工程学科的交叉融合,相互渗透,使其他学科和技术的发展与生命科学的研究和生物技术的发展紧密配合,相互促进,实现生物信息技术的集成创新与突破,应对生命科学大科学计划的需求,促进生物技术的跨越式发展。

(二)项目牵引,发挥基地作用

切实在“十一五”863计划项目组织实施的过程中,以项目为牵引,充分发挥已有和在建基地的作用,充分发挥国家实验室、国家重点实验室、国家工程中心的平台优势,同时,促进平台基地的开放,加强技术平台的交流、共享与合作,促进前沿交叉生物技术和产品的大规模产出。

(三)以人为本,注重人才培养

在国家前沿国力的不断加强和科研环境不断改善的大背景下,注重引进优秀留学人才;注重对国内优秀青年人才的培养,落实以人为本的原则,使优秀的研究个体和群体获得更加优厚的研究条件和宽松的科研环境。

(四)产学研结合,整体推进

在国家宏观研究发展的战略框架下,切实加强产学研的结合,加强科技界与产业界的沟通与交流。使最新的科技进步成果短时间内实现产业化,进一步促进国民经济的健康可持续发展;使产业界的需求在国家科技的研发过程中得以体现,进一步推动科学技术的进步与发展。

六、生命科学前沿交叉生物技术专项目标实现后,对相关技术领域及产业发展影响的预测分析

生命科学前沿交叉生物技术的研发,将对生命科学研究和生物技术发展以及相应的产业发生深刻的影响,能产生新的学科、技术和产业生长点。生命科学前沿交叉生物技术的发展,一方面不断吸收借鉴和应用了其它科技领域及产业的最新成果,同时也将反过来强力推动其它领域革命性的创新与发展。

前沿交叉生物技术的发展,将进一步拓展生物数据的获取和前沿分析能力,加强在细胞、组织、器官和动物整体水平上认识生命过程的能力,加快对生命过程的认识,极大地推动生命科学基础研究的突破,推进生命科学研究向定量化和理性化迈进,并由此产生新的学科增长点;将彻底改变药物研究与开发的模式,突破我国靶标发现和创新药物研究先导结构发现的瓶颈,提高我国创新药物研究与开发的整体水平和前沿实力,促进我国医药产业的跨越式发展;医学方面,一个新的医学模式即将诞生,分子医学将根据个体的基因差异对病人实施不同的治疗方案。这将引起医学诊断学及其相关产业的一次重大变革,将会产生重要的商机。本项目建立的前沿交叉技术将提高我国疾病的诊断、预测、预防和个体化医疗的水平。

前沿交叉生物技术的实施,具有广阔的市场前景。集成生物信息技术、技术系统生物技术、药物设计技术、生物医学信息技术所产成的数据库和规模化软件包,将形成生物信息技术产业;获得的代谢网络通路、信号传导途径、药物作用新靶标和创新药物能形成巨大的产业。值得一提的是,本项目开拓的新概念生物分析测试仪器设备研究,将结束国外生物仪器公司垄断中国市场,我国生物仪器基本靠进口的局面,为打造中国品牌的生物分析测试仪器奠定基础,也将形成我国生物技术经济的新增长点。同时,生物分析测试仪器的研制,也将推动传统机电制造业的升级换代,带动我国机电制造业的腾飞。

生命科学前沿交叉生物技术领域的成功实施,将保证我国生物工程技术研发总体水平达到国际先进水平,某些方面处于国际领先地位。有可能在具有战略性、前沿性、带动性和示范性的技术领域取得重大突破,为整个生命科学及其他学科的发展提供强大的技术支撑;同时,有可能研制出一大批具有国际竞争力的重大生物产品,孵化一大批生物技术企业;初步建立现代生物工程技术研发创新体系,增强创新能力和国际竞争能力;培养造就一大批生物工程技术的学科带头人和技术骨干,建设一支高水平的研究和开发队伍,进一步推动相关学科和产业的发展。

生命科学前沿交叉生物技术领域战略目标的全面实现,必将促进我国经济结构的调整,推动新兴产业的发展,加速传统产业的改造,为解决我国医药、环保等影响国民经济可持续发展的重大问题提供新方案、新机制、新途径。

(编辑:admin)
 
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