科幻照进现实,从《星际穿越》看生命科技创新风口

微信公众号:星河融快张岩2017-04-12 17:50新芽网
在美国创业和在中国创业很不一样,美国的创业公司产品需要有很高的科技含量,而且这些高科技几乎都不是公司自己凭空想出来的,无论是NRGene还是张锋的Editas Medicine这些都是高校孵化的。

《星际穿越》的故事背景设定在不远的将来,那个未来里没有炫目的高科技,没有外星文明的降维打击,没有光速传播的僵尸病毒,只是地球到处都刮起了Plus版的北京沙尘暴,人口缩减数十倍,政府间没有军备竞赛,没有技术竞争,整个人类社会退回到农耕时代,农民成了最重(niu)要(bi)的职业,大家为温饱而奋斗。但那又不是一个反乌托邦的世界,虽然沙暴肆虐,环境恶劣,但生活在某些方面还是能够忍受的,至少棒球比赛还在进行。

地球已经垂垂老矣,枯萎病从一种庄稼蔓延到另一种庄稼,麦子种不了了,秋葵绝种了,只有几亩玉米还活着,但也挺不了多久了,也许到库珀(男主)的孙子辈人类就将彻底灭亡,就像地球上很多远古文明一样终将掩盖在黄沙尘土中。

图片故事:诺兰大神的电影《星际穿越》里虫洞能够穿越时间的示意图,但我们不讲这个……

在这里枯萎病导致地球行将毁灭是电影中被吐槽或质疑较多的设定。该片的科学顾问兼制片人基普·索恩是世界著名的广义相对论范畴天体物理学领域的领导者之一,他在筹拍电影之初就坦诚自己不是个生物学家,为了保证“地球因为枯萎病毁灭”这一假设有科学依据,他邀请了加州理工学院的一大波相关教授,其中包括1975年诺贝尔医学及生理学奖获得者戴维·巴尔的摩(David Baltimore)作为影片的专业顾问。

专家们表示在目前的植物病理学研究中,还没有发现某一种生物能够消灭所有农作物,因为不同的植物病原有不同的寄主范围,即针对不同的种、属、科。但是假如出现某种超级真菌或细菌可以跨种属传播的话,那还是可能的。总而言之,这种枯萎病造成大量粮食减产和地表荒漠化,也就带来了片中地球上无处不在的沙尘暴。但是所幸的是,这种可能性微乎其微。

充斥电影最深重的绝望不是席卷世界的沙尘暴,而是整个人类文明失去了向前发展的希望与动力。在前三章中我们提到未来是所有人都关心的事情,但是未来是什么样子的?科技的演进到底会给人类一个怎样的未来,能在多大程度上改变人类和我们赖以生存的世界,在那个未来的时间节点到来之前都是猜测。

科幻电影之所以深入人心,是因为它包含了我们对未来期待、好奇还有焦虑。有人说所有的科幻大片,都是未来真实社会的预演,电影里的库珀利用“虫洞”、“引力弹弓效应”、“五维空间”这些源自广义相对论的知识拯救了人类文明,但我们回到造成地球毁灭的“枯萎病”,科技的力量是否让我们在拯救文明之前先拯救地球,毕竟就像电影是里说的,她是我们的,我们应该先想办法呆下去,而不是离开她。

第一,真实的枯萎病与爱尔兰近代史

枯萎病(blight,电影就是用这个单词)亦称疫病。是由真菌或细菌引致的植物病害,病原体导致的枯萎病症状,主要是由于它们在植物体内大量繁殖,堵塞维管束,阻碍水和营养物质的输送,最终导致细胞坏死。

在植物病理学上,当植物的叶片、茎、花乃至植株整体出现迅速褐变、干枯、死亡的症状时,我们往往就导致这些症状的病害冠以“枯萎病”的名字。

历史上确实曾出现过“枯萎病”引起的饥荒。19世纪马铃薯是爱尔兰人的最主要的粮食来源,1845年,爱尔兰地区的马铃薯患上一种名为晚疫病的疾病,病菌通过叶部感染马铃薯植株,整株的幼苗还没等到收获就腐烂了,1845年秋季,病害从爱尔兰东部向西部蔓延。随后几年,晚疫病毒在当地肆虐,加之政治、宗教等因素严重打击了当地农业生产,导致岛上数十万人死于饥饿或疾病,百余万人被迫移居海外。

这是19世纪最重要的人口迁徙之一,这场大饥荒也是爱尔兰现代历史的转折点,爱尔兰人口锐减了30%,将近100万人口移民美洲、英格兰或澳大利亚,即使到了今天,爱尔兰的人口仍然没有恢复到饥荒前的情形。

无论从科幻电影还是历史事件本身,我们都不难看出农业生产是社会发展和文明延续的根本保障。回顾近代农业的三次重大突破:20世纪30年代美国双杂交玉米的推广,有原来的亩产100kg增加到350kg;40年代墨西哥选育的矮杆、高产、耐肥、抗倒伏的小麦品种,亩产由原来的50kg增加到250kg,并掀起一场“绿色革命”;60年代我国黄耀祥院士发现和利用具有sd-g的矮性基因源,开创丛生快长高光效高产株型育种,使得水稻亩产达650kg以上。每一次科技和工具上的重大突破和革命,都将农业推上一个新的台阶,进入到一个新的历史阶段。

第二,洞悉“生命天书”的基因组数字化育种

种业是现代农业发展的“生命线”,种业科技也是农业领域科技含量最高的领域,人类作物育种的历史就是一部人类不断追求技术速度与精度的历史。

从新石器到20世纪中期,人类依靠植物的自然变异来选择产量、品质表现优良的品种,主要凭经验和运气的阶段称为“经验和统计学为基础的育种1.0时代”,1.0时代是根据田间植物形态和农艺性状的表现来筛选亲本,将高产优质的亲本和抗病的亲本进行杂交,在后代中通过大群体多年多地点筛选性状表现好的植株,不断繁殖鉴定,培育出高产抗病的品种。

这种筛选依靠植物的田间表现和育种家的经验,需要世代累积才能寻求最佳植株,工作强度极大,选育一个优良品种通常需要10-20年的时间才能完成。

步入21世纪,育种家开始利用高通量测序(NGS)、分子标记(MAS)等先进的生物技术和信息技术手段,架起了育种资源基因信息衔接多维度大数据的桥梁,建立起常规育种与生物育种相结合的平台,大幅度提高了育种效率,使育种工作实现了由"经验驱动"向"数据驱动"的根本性转变。

目前我国植物基因组数据的大小已经达到了TB甚至PB级别,对这些数据的存储、分析以及利用这些数据对成千上万份种质资源材料进行杂交配组和筛选成为目前农业大数据应用的一个热点,这个阶段我们也称为“以生物技术为基础的基因组育种2.0时代”。利用基因组学结合大数据及人工智能技术,我国的科学家已经成功培育出了抗“枯萎病”的品种,这在某种程度上也算是拯救世界了吧?

NRGene是一家以色列的基因组大数据创业公司,公司通过开发基于Saas的软件和算法来揭示农作物、动物和水生生物的复杂性和多样性,提供最先进、最精细的育种服务。

NRGene工具目前已被一些全球领先的种子公司以及学术界最具影响力的研究团队所采用。公司开发的GenoMAGIC?和DeNovoMAGIC?基因序列组装解决方案为全球种子公司以及主要学术和研究机构在玉米、小麦、大豆、蔬菜和其他在全球粮食安全中起重要作用的作物研究方面提供育种支持。

孟山都是该公司的主要客户之一,他们这样评价这个新兴的创业公司:基因组大数据的应用帮助我们不断优化和调整育种决策,云育种平台将为育种家提供更全面的视野,帮助他们进一步提高分析和决策能力,使育种的年限和成本得到大幅缩减。

2015年9月,中国农业科学院、阿里云计算有限公司、华智水稻生物技术有限公司、北京聚道科技有限公司启动“云之稻”项目平台。该项目的初衷是全球共享水稻基因组数据,并将逐步建立最全面的“水稻功能基因组和育种信息数据库”,其研究将加快规模化发掘水稻优良基因,突破水稻复杂性状分子改良的技术瓶颈,加快高产、优质、广适性新品种培育进程,全面提升中国及全球水稻基因组研究和分子育种水平。

这个一个大胆的尝试,让全世界的科研和商业联合起来,参与数据分析和共享,为加速未来的“水稻设计育种”提供基础信息资源,“云之稻”项目还将结合功能基因组学新的方法和策略进行生物育种,将贡献于粮食安全、食品健康的发展。

第三,让“命不由天”的基因编辑技术

当代著名丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)曾说:“预测是非常困难的,尤其是对未来的预测。”在科学技术瞬息万变的时代,而把握技术应用场景和市场动向的前瞻性预判,是对当今创业者和投资人的严峻考验,关乎到下一个商业帝国的成败。

这是最好的时代,不同于过去几十年,生命科技产业开始受到了风险投资者前所未有的重视。许多科学家不必再像以前那样为了自己的研究穷尽一生的岁月都未能看到他们的成果转化为实际产品,为世人造福。如今,当许多科学家的成果尚停留在实验室阶段时,就已经引起了产业巨头的关注,并为后续的进一步开发做好准备。

EditasMedicine是CRISPR技术应用和开发先驱之一张锋和两位MIT同事(Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier)在2013年创立的公司,创立之初,Editas便获得4300万美元的A轮投资, 2015年8月又获得1.2亿美元的B轮融资,由BorisNikolic领投,Google Ventures等跟投,并于2016年在纳斯达克挂牌上市。

2017年2月15日,美国专利局审查与上诉委员会作出裁决,判定张锋及麻省理工/哈佛MIT联合创办的BroadInstitute所申请的 CRISPR基因编辑专利,与加州大学伯克利分校Dougna实验室和欧洲合作者Charpentier的CRISPR发现,并不重叠或存在冲突, 因此 张锋与Broad Institute得以保留其已经得到授权的CRISPR专利权(创始人撕逼的坑,美国高科技公司也没躲过去)。随后三天,EditasMedicine股价大涨40%以上。

Caribou Biosciences公司是由Dr. Jennifer Doudna(张锋的同事)支持创立的技术公司,可以说这一公司基本上代表了CRISPR技术研究领域的最高水平。公司目标是将基因编辑技术转化为能够直接影响到人们生活的商业产品,与其竞争对手Editas Medicine聚焦医学应用不同,Caribou目标客户集中在农业领域,杜邦公司(DuPont)以专利许可和未来商业利益共享的方式获得公司的技术开发权。

Caribou可以实现将有害基因的定向敲除或是在基因组的特定位置插入一个新基因来获得优良的性状。与人类实践了数千年的杂交技术相比,这一技术可以使得植物育种过程中发生最小的生物学改变。同时这一技术还可以使科学家回避那插入来自其他物种外源DNA技术(转基因)所带来的争议。Caribou公司去年5月份刚刚完成总额达3000万美元的B轮融资,其投资者包括多个著名投资公司。

在基因编辑领域我国的研究并不落后,2016年2月23日,国际著名技术评论期刊《麻省理工科技评论》公布了2016年十大技术突破。中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究员及其团队关于植物基因精准编辑技术的研发成果名列其中。

麻省理工科技评论指出,该技术能够精准、高效、低成本地进行植物基因组编辑,有望用于生物安全的作物遗传改良和定向育种,提高农业生产率,满足日益增长的人口需求。高彩霞团队主要贡献在于建立成熟、高效的农作物基因精确编辑技术平台并对重要农作物的定向育种进行了成功的尝试,取得了一系列世界领先的成果。2013年,高彩霞团队率先利用CRISPR/Cas系统对水稻和小麦的多个基因进行编辑,并且获得了世界上第一株CRISPR编辑的植物。

我们看到张锋的科研成果于2012年发表,2013年被授予专利,2014年成立公司,2016年公司纳斯达克上市,基本上都是闪电速度,几乎是实验室里刚有成果,马上就有人开始与之合作开发商业应用。一项科研成果对社会的推动很容易从商业的角度去鉴别,很多有应用价值的技术会直接被社会接受,产生的社会效应和商业效应清晰可见。反观我们国家,在生命科学这个领域里我们很大程度上是和国际同步的,甚至在很多方面是单项领先的,但是大多数的研究成果只是停留在论文上,缺少应用转化,商业化程度更是低到被忽略不计的程度。

不难发现,在美国创业和在中国创业很不一样,美国的创业公司产品需要有很高的科技含量,而且这些高科技几乎都不是公司自己拍脑袋想出来的,无论是以色列NRGene还是张锋的Editas Medicine这些都是高校孵化出来的高科技公司,技术都是源自高校。2003年-2013年的10年间,世界《财富》1000强有172家被替换掉了,新上榜的无疑都更具有科技含量,如谷歌、Facebook。当然还有很多是硬科技公司,如SpaceX、基因测序公司illumina等。这些公司背后无一例外都有大量从高校转让过来的知识产权支撑着其科技产品的发展。我们相信这一定是这个时代创新的规律,科学技术的发展走到今天已经超越了过去几千年效率。任何一个领域的背后都有深厚的基础科学研究作为支撑,多学科交叉融合,协同发展,才能出现真正颠覆世界的伟大发明。

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