定向进化|我国迎来定量合成生物学发展重要契机( 三 ) Synthia|黑箱理论|定量描述|定量

其中，发展定量合成生物学将转变研究范式，涉及多个学科领域以及先进生物技术、数据科学与工程技术的结合，属于国际科学研究的前沿，需要更广泛、深入的学科交叉与合作。因此要吸引多学科人才，加快推动国家级科研载体平台及产业创新中心建立。发展定量合成生物学是我国占据科技前沿制高点的一次重要机遇，要认识到这对于推进我国合成生物学基础理论研究和技术创新领先国际水平的重大战略价值。
二是在合成生物使能技术方面，建议聚焦于发展更高效、更精准、更智能的基因改造技术和基因组的精准合成与重排技术，开发对亚细胞结构进行理性设计、构建与拓展的手段，探索无细胞体系与人造膜系统的生物功能设计与构建技术以及先进合成生物学分析技术，例如多组学技术、单细胞技术、单分子技术等。这些前沿技术是合成生物学发展的工具与基础，我国目前已取得了良好的成绩，应当持续发力，占领前沿技术研究制高点。
三是建议大力发展前沿数据科学与人工智能相结合的、面向合成生物学的黑箱理论与方法。
人工智能辅助生物计算是国际上最重要的前沿方向之一。建议聚焦于发展面向合成生物学的人工智能技术平台，实现数据标准化，解决数据偏向性问题，并建设开放共享有效的数据库和计算平台。建议发展结合物理模型与机器学习的可解释黑箱模型，发展兼顾速度与精度的生物计算方法以及利用人工智能对生物元件高精度预测、辅助生物元件理性设计的方法。
四是建议加强发展合成生物学领域的多尺度白箱定量理论，利用合成生物学的手段推动理论研究，将定量理论作为指导合成生物学理性设计的基础。
此方面的前沿科学问题包括：发展适用于复杂生物系统的设计原理，实现范式转化；研究合成基因回路在资源竞争条件下的协调策略；探索具有抗噪和鲁棒性功能的系统设计；探索进化论的定量理论等。
构建白箱模型，需要获取标准化、定量化实验数据，可以通过建立唯象模型来掌握系统的运行规律，并进一步归纳、提炼出具有普适性的理论框架，最终利用理论达到生物系统的理性设计与精准合成这一工程目标。这方面的研究国际上尚未建立体系，有巨大的发展空间，也是未来的发展方向，需要得到各级政府重视。
五是建议加强重视合成生物学的医学与工程应用，充分发挥合成生物学在民生、医疗、经济、能源、环境和安全等方面的发展前景与战略意义。
为了推动合成生物学的应用研究，应加强学科交叉与产业配套。合成生物学技术的应用，需要合成生物技术与工程技术的有机结合，其复杂性和难度表现为较大跨度的多学科交叉，涉及到医学、材料学、生物物理学、生物化学、纳米技术、电子工程等，需要加强学科交流与国内国际合作。同时，应当提升科技支撑，加强产业配套，在解决好底层基础理论构建以及技术概念验证之后，加快产业化进程，在市场与资本的双重推动下，加速我国技术壁垒的形成，实现我国合成生物技术与产品的产业化应用。
总结来说，我们期待基础生命科学研究与合成生物学研究两者的螺旋上升，这将真正开启生命科学研究革命之门，同时针对工业、农业、健康、能源、环境、材料、信息、工程等国民经济领域重大需求，不断引领新一代生物技术和工程生物学发展。
赵国屏：中国科学院院士、中科院上海营养与健康研究所生物医学大数据中心首席科学家、中科院分子植物科学卓越创新中心合成生物学重点实验室专家委员会主任

定向进化|我国迎来定量合成生物学发展重要契机( 三 )

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