生命的創(chuàng)造與延續(xù)——從基礎(chǔ)科學(xué)到應(yīng)用科學(xué)

周 琪

“工程科學(xué)與工程創(chuàng)新”專(zhuān)刊

生命的創(chuàng)造與延續(xù)——從基礎(chǔ)科學(xué)到應(yīng)用科學(xué)

周 琪

（中國(guó)科學(xué)院 干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院，北京 100101）

生命科學(xué)旨在探索和揭示生命本質(zhì)，運(yùn)用多種生物技術(shù)造福人類(lèi)。受限于早期生物科學(xué)和技術(shù)發(fā)展水平，人們難于一窺生命的起源、發(fā)育和遺傳奧秘的全貌。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)百年的知識(shí)累積和技術(shù)進(jìn)步，工程學(xué)理念逐漸被引入現(xiàn)代生物學(xué)中，人們對(duì)于生命本質(zhì)的理解日趨深入，并逐步具備改造甚至創(chuàng)造生命的能力。生物技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用拓寬了工程科學(xué)的疆域，工程科學(xué)的寬闊視野和方法則促進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)與生物技術(shù)的發(fā)展，二者相輔相成，逐漸在當(dāng)代為造福人類(lèi)提供了強(qiáng)有力的手段。結(jié)合干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新實(shí)踐和最新研究進(jìn)展，探討了生命科學(xué)領(lǐng)域中基礎(chǔ)研究、生物技術(shù)與工程科學(xué)結(jié)合路徑的設(shè)計(jì)與發(fā)展前景。

生命科學(xué)；生物工程；干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)；工程科學(xué)

生命本質(zhì)如何、起源于何處、將發(fā)展至何方，這些極富哲學(xué)意蘊(yùn)的科學(xué)命題，是生命科學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)的未解難題。歷經(jīng)數(shù)十億年的進(jìn)化，地球從沒(méi)有生命形態(tài)到出現(xiàn)生命形態(tài)，從簡(jiǎn)單生命到復(fù)雜生命，再到今天的人類(lèi)。人類(lèi)自身所承載的信息量，迄今仍難以被完全破解。工程科學(xué)是將基礎(chǔ)科學(xué)中的真理轉(zhuǎn)化為人類(lèi)福利的實(shí)際方法的技能。工程科學(xué)在上天、入地、下海等方面，已達(dá)到空前水平。然而，人類(lèi)對(duì)生命的了解仍然是滄海一粟。隨著工程科學(xué)的引入，人類(lèi)對(duì)于自身和對(duì)生命的認(rèn)識(shí)與理解，從以往諸如對(duì)外形、身高、語(yǔ)言、舉止等的形態(tài)描述，發(fā)展到基因解讀、遺傳分析和分子識(shí)別。從基因組計(jì)劃、新一代基因編輯技術(shù)、合成生物學(xué)到近期的生命創(chuàng)造技術(shù)，這樣的發(fā)展路徑提升了人類(lèi)認(rèn)識(shí)、解讀和改造生命的能力。工程科學(xué)的發(fā)展讓我們有可能更加接近生命的本質(zhì)。

本文的目的是探討如何將生命科學(xué)的基礎(chǔ)研究與生物技術(shù)、工程科學(xué)相結(jié)合，從而加速人們對(duì)生命過(guò)程中遺傳、發(fā)育、疾病、衰老以及進(jìn)化等現(xiàn)象的深入探索與解析，改造甚至創(chuàng)造生命系統(tǒng)。

1 工程科學(xué)理念引入生命科學(xué)，增強(qiáng)人類(lèi)認(rèn)知生命本質(zhì)的能力

《Science》創(chuàng)刊125周年時(shí)公布了125個(gè)科學(xué)問(wèn)題，其中，多達(dá)40%與生命科學(xué)相關(guān)。如：人類(lèi)壽命到底可以延長(zhǎng)多久，意識(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ)是什么，記憶如何儲(chǔ)存和恢復(fù)，大腦如何建立道德觀念，人的道德感、羞恥感由何而來(lái)，為什么人類(lèi)基因會(huì)如此之少，基因組中的“垃圾 (junk) ”有何作用，除了繼承突變，基因組如何改變，等等。解答此類(lèi)科學(xué)問(wèn)題是基礎(chǔ)科學(xué)的驅(qū)動(dòng)力。而科學(xué)問(wèn)題的解答離不開(kāi)工程科學(xué)的理念和技術(shù)支持。

錢(qián)學(xué)森先生曾精辟地指出：“工程科學(xué)最重要的本質(zhì)是將基礎(chǔ)科學(xué)中的真理轉(zhuǎn)化為人類(lèi)福利的實(shí)際方法的技能”[1]。20世紀(jì)40年代，科學(xué)家開(kāi)始意識(shí)到，生物體與機(jī)器在自動(dòng)控制、通信和統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)等一系列問(wèn)題上具有共性。而生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展遭遇的瓶頸阻礙，也讓生物學(xué)家開(kāi)始從嶄新的工程科學(xué)視角出發(fā)，試圖通過(guò)工程科學(xué)技術(shù)的不斷革新，解決領(lǐng)域中懸而未決的問(wèn)題和疑惑，進(jìn)一步探尋生命的本質(zhì)，從而達(dá)到促進(jìn)社會(huì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展、提高人類(lèi)生活質(zhì)量的目的。

生命科學(xué)與工程科學(xué)的匯聚非常重要，以筆者的研究領(lǐng)域——干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)為例，干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)就是一個(gè)最直接的生命科學(xué)與工程科學(xué)的結(jié)合體。生命的起始看似是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程：從受精開(kāi)始形成胚胎、胎兒、胎兒出生發(fā)育為一個(gè)健康的個(gè)體。然而，生命的形成實(shí)際卻非常復(fù)雜。人的十月懷胎，從工程科學(xué)角度來(lái)講，是最復(fù)雜的系統(tǒng)：從最開(kāi)始一個(gè)受精卵細(xì)胞，歷經(jīng)多個(gè)發(fā)育階段，最終構(gòu)造成完整的個(gè)體——健康的人。隨著人的生長(zhǎng)發(fā)育、年齡增長(zhǎng)，體內(nèi)細(xì)胞的數(shù)量和功能的增殖和衰減彼此交替，便是生命體發(fā)育、衰老直至死亡的完整過(guò)程。生命發(fā)展過(guò)程中會(huì)發(fā)生大量細(xì)胞死亡，但我們依然活得很好，這是因?yàn)槲覀兩眢w里的干細(xì)胞不斷增殖，在更新著我們的機(jī)體。干細(xì)胞，簡(jiǎn)單說(shuō)就是可以不斷增殖、自我更新、具有多向分化潛能，能夠分化形成多種細(xì)胞類(lèi)型的細(xì)胞。干細(xì)胞種類(lèi)多樣，有具有高度發(fā)育潛能的胚胎干細(xì)胞，也有出生后支撐皮膚、毛發(fā)等多個(gè)器官生長(zhǎng)的成體干細(xì)胞。那么，我們是否能夠利用干細(xì)胞，來(lái)逆轉(zhuǎn)發(fā)育和衰老的進(jìn)程？

過(guò)去這些年，基于干細(xì)胞，我們嘗試建立一些生命逆轉(zhuǎn)的手段。我們從體細(xì)胞創(chuàng)造了一個(gè)原本不存在的生命——第一個(gè)來(lái)源于誘導(dǎo)多能干細(xì)胞即非胚胎來(lái)源的生命[2]；創(chuàng)造了一種從來(lái)不存在的干細(xì)胞——單倍體干細(xì)胞，這類(lèi)細(xì)胞甚至可以替代精子或卵子，最終發(fā)育成一個(gè)健康的生命體[3]；我們用干細(xì)胞創(chuàng)造出一個(gè)全新的生命[4]，它所繼承的父本和母本基因組分別來(lái)自于兩個(gè)不同的干細(xì)胞，從某種程度上說(shuō)，這是人造的生命；利用這些細(xì)胞，繞開(kāi)哺乳動(dòng)物的同性生殖障礙，我們實(shí)現(xiàn)了由兩個(gè)雌性小鼠生成健康后代[5]，也創(chuàng)造出了來(lái)自?xún)蓚€(gè)雄性小鼠的后代[6]（圖1）。我們也創(chuàng)造了一種在自然界不存在的細(xì)胞類(lèi)型[7]，這種細(xì)胞的基因來(lái)自于兩個(gè)完全不同的物種：一半來(lái)自于小鼠，一半來(lái)自于大鼠。一方面，這些人造細(xì)胞為回答進(jìn)化和發(fā)育生物學(xué)的眾多科學(xué)問(wèn)題提供了全新的模型和工具；另一方面，這種種間雜合方式也為未來(lái)創(chuàng)造能適應(yīng)新的極端環(huán)境的新物種提供了可能。上述這些成果說(shuō)明，基礎(chǔ)科學(xué)的目的是回答那些以前所不知道的問(wèn)題、做到以前做不到的事情?？茖W(xué)需要知識(shí)的不斷累積、技術(shù)的不斷突破去發(fā)現(xiàn)自然的奧秘。

圖1 Nature網(wǎng)站報(bào)道同性生殖小鼠成果

然而，干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域真正的科學(xué)價(jià)值在于服務(wù)人類(lèi)。我們說(shuō)，干細(xì)胞和再生醫(yī)學(xué)是第三次醫(yī)學(xué)革命。革命在哪？我們嘗試將干細(xì)胞發(fā)展成為藥物，挑戰(zhàn)的是一個(gè)全新類(lèi)型的藥物，這是一個(gè)歷史性、革命性的跨越。要跨這一步很難，因?yàn)榧?xì)胞是活的，由細(xì)胞構(gòu)成的藥物是活的藥物?；畹乃幬镌趺囱邪l(fā)？除了要考慮到藥物研發(fā)中所有的問(wèn)題，還要關(guān)注很多活細(xì)胞作為藥物特有的問(wèn)題，這些都涉及工程學(xué)路徑。眾所周知，工程科學(xué)中設(shè)計(jì)這個(gè)環(huán)節(jié)是非常重要的。從十幾年前，我們就開(kāi)始做這項(xiàng)工作的布局，從開(kāi)始就把全路徑以及各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)好。我們也清楚，系統(tǒng)性的任務(wù)，尤其是工程領(lǐng)域，特別要注意短板效應(yīng)。從最開(kāi)始設(shè)計(jì)到執(zhí)行和完成，往往需要幾十年的累積。

以干細(xì)胞應(yīng)用方面的一個(gè)案例來(lái)說(shuō)明。中老年人常見(jiàn)的一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病——帕金森病，其主要發(fā)病原因是大腦黑質(zhì)中多巴胺神經(jīng)細(xì)胞大量死亡，導(dǎo)致紋狀體中多巴胺的水平下降。我們?cè)O(shè)想研發(fā)一種細(xì)胞藥物替代傳統(tǒng)藥物治療，通過(guò)將胚胎干細(xì)胞在體外分化出的多巴胺神經(jīng)細(xì)胞移植到帕金森病人的大腦中，來(lái)替代受損的神經(jīng)細(xì)胞。分化后的多巴胺神經(jīng)細(xì)胞如果具有自然存在的多巴胺神經(jīng)細(xì)胞的功能，就可以在腦內(nèi)進(jìn)一步分化成熟并分泌多巴胺遞質(zhì)，從而改善患者行為。而這一治療方案的實(shí)現(xiàn)，離不開(kāi)工程科學(xué)的設(shè)計(jì)思路，從細(xì)胞資源庫(kù)干細(xì)胞的存儲(chǔ)和運(yùn)輸、細(xì)胞分化和質(zhì)控的關(guān)鍵技術(shù)、細(xì)胞安全性和有效性的系統(tǒng)評(píng)價(jià)、到臨床研究體系等需要建立多種平臺(tái)和流程。

其中，為更好地判斷干細(xì)胞能否用于治療帕金森病人，我們?cè)谠鷮?shí)的體外實(shí)驗(yàn)和小動(dòng)物驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，又選擇了帕金森癥猴模型進(jìn)行長(zhǎng)期評(píng)估。將人胚胎干細(xì)胞來(lái)源的多巴胺神經(jīng)細(xì)胞移植到猴腦里，在多個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)（7個(gè)月、1年和2年）分別進(jìn)行評(píng)估，證明人的神經(jīng)元可長(zhǎng)期存活于猴腦，而且細(xì)胞是安全且有功能的[8]。在此基礎(chǔ)上，我們啟動(dòng)了經(jīng)國(guó)家衛(wèi)計(jì)委（現(xiàn)國(guó)家衛(wèi)健委）和國(guó)家食藥監(jiān)總局正式備案的首批干細(xì)胞臨床研究項(xiàng)目，同年9月份開(kāi)始第一例臨床研究，1～2年評(píng)估之后啟動(dòng)了下一期臨床實(shí)驗(yàn)。在啟動(dòng)臨床研究項(xiàng)目不久，一直對(duì)中國(guó)干細(xì)胞研究非常關(guān)注的《Nature》新聞發(fā)表了一篇長(zhǎng)論，評(píng)價(jià)其為“中國(guó)首個(gè)基于人胚干細(xì)胞的臨床研究，世界首個(gè)利用受精卵來(lái)源人胚干細(xì)胞治療帕金森病臨床研究”。這是一個(gè)前后布局了12年的項(xiàng)目，期間解決了適應(yīng)癥的選擇、細(xì)胞資源的獲得、關(guān)鍵技術(shù)的建立、標(biāo)準(zhǔn)與管理體系的逐步完善、動(dòng)物模型的創(chuàng)制和使用、臨床機(jī)構(gòu)的溝通和培訓(xùn)等各種瓶頸，并針對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)形成了有效的應(yīng)對(duì)措施。從生命科學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)和工程科學(xué)之間的匯聚和關(guān)聯(lián)及其造福于人類(lèi)的潛力來(lái)看，這是一個(gè)典型的案例。

2 新時(shí)代工程科學(xué)拓展生命科學(xué)研究的廣度、維度和尺度

基礎(chǔ)科學(xué)的研究成果是科學(xué)技術(shù)的理論基礎(chǔ)，對(duì)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)實(shí)踐具有指導(dǎo)作用。工程科學(xué)則更傾向于集成多學(xué)科理論和技術(shù)付諸生產(chǎn)實(shí)踐和應(yīng)用，其目的性、計(jì)劃性、組織性、實(shí)踐性、預(yù)期性等都更強(qiáng)?？梢哉f(shuō)它們對(duì)應(yīng)的是兩種精神?；A(chǔ)科學(xué)對(duì)應(yīng)的是科學(xué)精神，求真、求實(shí)、追尋那些未知科學(xué)問(wèn)題的解決；工程科學(xué)對(duì)應(yīng)的是工匠精神，敬業(yè)、精益，追求極致的高質(zhì)量產(chǎn)品和工序。學(xué)科各有分工，基礎(chǔ)科學(xué)、工程科學(xué)之間并不矛盾。它們互為依托、互為依賴(lài)、相輔相成。工程科學(xué)融入生命科學(xué)，以生物技術(shù)的形式體現(xiàn)，拓展了生物技術(shù)的廣度、維度和尺度，這必將帶來(lái)生命科學(xué)領(lǐng)域革命性的突飛猛進(jìn)發(fā)展。

第一，生物技術(shù)發(fā)展的廣度不斷拓展。多學(xué)科聚集、綜合交叉匯聚，并以目標(biāo)導(dǎo)向集成不同領(lǐng)域的人和物，聯(lián)合攻關(guān)，是科學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。學(xué)科不應(yīng)越做越窄，越做越小，發(fā)揮多學(xué)科的特色，有效整合多學(xué)科的優(yōu)勢(shì)是最有利于學(xué)科發(fā)展的必然選擇?？茖W(xué)和學(xué)科發(fā)展的廣度也會(huì)推動(dòng)生物技術(shù)領(lǐng)域向其他多學(xué)科領(lǐng)域滲透和擴(kuò)展，并最終推動(dòng)生物醫(yī)藥技術(shù)、生物農(nóng)業(yè)技術(shù)、生物工業(yè)技術(shù)、生物能源技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

第二，生物技術(shù)發(fā)展的維度不斷拓展。生物技術(shù)向組學(xué)計(jì)劃、譜系計(jì)劃等多維發(fā)展正在成為一種歷史的必然。前面講到生命孕育，從維度上講，早期胚胎在一個(gè)非常短的時(shí)間內(nèi)，細(xì)胞從幾百個(gè)擴(kuò)充到幾千個(gè)，從單一細(xì)胞群體變成多種器官的雛形，到底發(fā)生了什么？我們提出包括時(shí)間維度在內(nèi)的三維的基因表達(dá)譜系計(jì)劃，這樣就把研究維度擴(kuò)展到了四維[9]，更加有利于人類(lèi)理解和認(rèn)識(shí)生育和生命過(guò)程。

第三，生物技術(shù)發(fā)展的尺度不斷拓展。生物技術(shù)自身的發(fā)展將會(huì)拓展至更精細(xì)和宏觀的研究尺度，包括個(gè)體、器官、組織、細(xì)胞、細(xì)胞器、基因組等。最開(kāi)始發(fā)明顯微鏡的時(shí)候，人類(lèi)在顯微鏡下看到細(xì)胞。今天，有了冷凍電子顯微技術(shù)，可以看到更為精細(xì)的細(xì)胞和蛋白結(jié)構(gòu)。未來(lái)還會(huì)有更先進(jìn)的技術(shù)，將使我們能對(duì)事物分解得越來(lái)越細(xì)。而從另一方面看，則是尺度的放大。把不同尺度的小的元件整合到一起，在另一個(gè)尺度，新的生命就出現(xiàn)了，這一夢(mèng)想在未來(lái)十?dāng)?shù)年可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

3 工程科學(xué)與生命科學(xué)相結(jié)合，將改變?nèi)祟?lèi)生活方式與發(fā)展進(jìn)程

工程科學(xué)與生命科學(xué)相結(jié)合，一方面拓寬了工程科學(xué)的疆域，另一方面也促進(jìn)了生命科學(xué)的發(fā)展，有可能革命性地改變?nèi)祟?lèi)的生活方式與發(fā)展進(jìn)程。至少可能體現(xiàn)以下這幾大方面。

第一，改變我們的生活。推前5年我們不會(huì)相信微信在如此程度上改變我們的生活，也不會(huì)相信共享單車(chē)會(huì)出現(xiàn)在我們的生活里，并且覆蓋面這么廣。互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)依托的技術(shù)體系改變了人們很多生活方式，例如支付手段的變化，讓人們現(xiàn)在基本上不需要帶著信用卡、現(xiàn)金出門(mén)，一個(gè)手機(jī)刷遍天下。那么生物工程技術(shù)的未來(lái)呢？今天看到的業(yè)態(tài)是，人們吃的牛排一定要從牛的養(yǎng)殖開(kāi)始，從牛的屠宰開(kāi)始，從冷鏈加工開(kāi)始；我們的糧食一定從種植開(kāi)始。未來(lái)還會(huì)不會(huì)這樣？俄羅斯已計(jì)劃在空間站嘗試生物3D打印機(jī)，以規(guī)模化生產(chǎn)和制備可供地面和宇宙環(huán)境里食用的食品。工程技術(shù)、生物技術(shù)逐步改變著傳統(tǒng)的飲食結(jié)構(gòu)：餐桌上的牛排未來(lái)可能來(lái)自于細(xì)胞墨水的3D打印、細(xì)胞培養(yǎng)和細(xì)胞的增殖和分化。

第二，改變我們的生理。眾所周知，很多生理性的差異源于遺傳。比如生活在平原地區(qū)的人登上高原，如果從事劇烈的運(yùn)動(dòng)或長(zhǎng)時(shí)間的體力活動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)心、腦水腫和高原病。而生活在高原地區(qū)的人沒(méi)有這種問(wèn)題，有可能是因?yàn)檫z傳的差異，他們?cè)陂L(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中出現(xiàn)了適應(yīng)性進(jìn)化。再比如人體機(jī)能的衰減，人過(guò)了40歲以后平均每年肌肉的衰減量是1%。迄今為止公認(rèn)只有一個(gè)辦法可以延緩肌肉衰減，就是運(yùn)動(dòng)。我們也在嘗試很多辦法，試圖讓肌肉的衰減、細(xì)胞功能的衰減、身體機(jī)能的衰減等通過(guò)其他辦法來(lái)延緩。中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所的科學(xué)家發(fā)表了世界上首例遺傳增強(qiáng)的人類(lèi)血管細(xì)胞[10]?？茖W(xué)家通過(guò)對(duì)這種細(xì)胞的基因和遺傳特性進(jìn)行“優(yōu)化”，在細(xì)胞水平上驗(yàn)證了這些基因修飾可以改變?nèi)祟?lèi)的生理機(jī)能。也許未來(lái)通過(guò)基因修飾，可增強(qiáng)人體機(jī)能，使人長(zhǎng)壽不易患病。

第三，改變我們的認(rèn)知。《Science》125個(gè)問(wèn)題里面有一個(gè)是“人的意識(shí)本體是什么？”解讀了基因組以后，人們?nèi)匀徊恢酪庾R(shí)存在于哪里。父輩和子代之間的基因被傳遞，但記憶沒(méi)有傳遞。如果有一天可以知道了記憶在哪里的話，是不是可以存儲(chǔ)和復(fù)制記憶？知識(shí)是不是可以轉(zhuǎn)移？到現(xiàn)在為止，人工智能一直仿照人類(lèi)的生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指大腦里面的神經(jīng)元細(xì)胞、突觸等形成的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際上是產(chǎn)生意識(shí)的關(guān)鍵部分。隨著技術(shù)的發(fā)展、科學(xué)的進(jìn)步，人類(lèi)有一天可能會(huì)在生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能連接里面找到記憶的載體，找到物質(zhì)和意識(shí)之間的基礎(chǔ)，那可能會(huì)改變?nèi)祟?lèi)的生活和時(shí)代。

第四，改變?nèi)祟?lèi)的繁衍。哺乳動(dòng)物的繁衍和人類(lèi)的繁衍是相似的，都是從受精卵開(kāi)始到下一代。人類(lèi)一直在嘗試構(gòu)建人造子宮，希望能夠體外支持生命的發(fā)育。眾所周知，臨床上極早產(chǎn)兒存活率非常低，科學(xué)家報(bào)道極端早產(chǎn)的胎羊可以在工程化構(gòu)建的生物袋（人造子宮）中完成后期發(fā)育。與此同時(shí)，我國(guó)科學(xué)家第一次把非人靈長(zhǎng)類(lèi)食蟹猴的受精卵，在體外培養(yǎng)發(fā)育超過(guò)20天[11]。20天的時(shí)間意味著胚胎在發(fā)育的過(guò)程中已經(jīng)完成了多系統(tǒng)和器官的早期發(fā)育雛形的構(gòu)建。這是一項(xiàng)里程碑式的工作：人類(lèi)歷史上第一次從發(fā)育和工程的角度，實(shí)現(xiàn)了靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物胚胎在脫離母體子宮的情況下發(fā)育到這一時(shí)期。未來(lái)胚胎體外發(fā)育的探索，從起始往后以及從終末往前雙管齊下，最終有望實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物生命全周期的體外孕育。近期我們也在組建一個(gè)新的工程實(shí)驗(yàn)室，希望搭建人造子宮，完成人造生命在人造子宮里的發(fā)育。

第五，改變生命發(fā)展進(jìn)程。2019年11月28日，來(lái)自以色列威茨曼科學(xué)研究所的Ron Milo教授與其合作者們?cè)凇禖ell》雜志上首次報(bào)道了他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)構(gòu)建出只利用二氧化碳（CO2）作為唯一碳源的自養(yǎng)型大腸桿菌的研究成果[12]。以前我們知道，植物可以進(jìn)行光合作用，可以不吃不喝，而動(dòng)物做不到。這種利用能量維持生命的方式，是數(shù)十億年生命進(jìn)化的產(chǎn)物?，F(xiàn)在科學(xué)家們第一次報(bào)道將異養(yǎng)型生物細(xì)菌改造為自養(yǎng)型，其改造時(shí)間僅用了200天。如果以色列科學(xué)家這篇論文是可重復(fù)的，生物進(jìn)化限制就不存在了。這就變成了一個(gè)很大的命題：將來(lái)這種建立在工程生物技術(shù)基礎(chǔ)上的生命進(jìn)化，連同我們對(duì)于植物、動(dòng)物、微生物最簡(jiǎn)單的界定，都會(huì)發(fā)生本質(zhì)變化。

生物技術(shù)在改變?nèi)祟?lèi)生活方式和發(fā)展進(jìn)程的同時(shí)，也帶來(lái)巨大的倫理爭(zhēng)議與挑戰(zhàn)。這些年在社會(huì)倫理方面，比如說(shuō)基因編輯技術(shù)，帶來(lái)的困惑和挑戰(zhàn)就非常多。2018年發(fā)生的基因編輯嬰兒事件，在這個(gè)領(lǐng)域里就一直爭(zhēng)議不斷。如何化解科技飛速發(fā)展與包括倫理治理在內(nèi)的科技治理相對(duì)滯后之間的矛盾，是科學(xué)家、倫理學(xué)家、法學(xué)家乃至整個(gè)社會(huì)不可回避的問(wèn)題。從歷史發(fā)展的視角來(lái)看，未來(lái)我們可能面臨的挑戰(zhàn)會(huì)非常大。當(dāng)前，新興技術(shù)、學(xué)科不斷涌現(xiàn)，技術(shù)匯聚，學(xué)科融合，前沿領(lǐng)域不斷延伸。在生命起源、意識(shí)本質(zhì)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、宇宙演化等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，人類(lèi)正在或?qū)⑷〉猛黄菩赃M(jìn)展。人們常?；仡櫹惹皫状慰茖W(xué)和技術(shù)突破帶來(lái)的產(chǎn)業(yè)變革，如果回溯到達(dá)爾文的進(jìn)化論，回溯到量子理論的產(chǎn)生，不難發(fā)現(xiàn)，這些時(shí)代距今已有很長(zhǎng)時(shí)間。那么，當(dāng)前科技革命之后，預(yù)測(cè)下一個(gè)科學(xué)革命在何時(shí)？前述所提及的《Science》125個(gè)科學(xué)問(wèn)題，諸如物質(zhì)與意識(shí)的本質(zhì)、物種的繁衍等，無(wú)論哪一條，一旦被攻破，都將帶來(lái)新一輪科學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)變革，也將革命性地改變整個(gè)社會(huì)。

4 結(jié)語(yǔ)

基礎(chǔ)科學(xué)為工程科學(xué)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)，工程科學(xué)在實(shí)踐中的應(yīng)用為基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了豐富的檢驗(yàn)手段和新經(jīng)驗(yàn)。二者互為依托、互為依賴(lài)、相輔相成。生物技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用拓寬了工程科學(xué)的疆域，工程科學(xué)的寬闊視野和方法則進(jìn)一步促進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)與生物技術(shù)的發(fā)展?；A(chǔ)科學(xué)與包括工程科學(xué)在內(nèi)的多學(xué)科的融合匯聚是基礎(chǔ)研究飛速走向?qū)嶋H應(yīng)用的根本路徑，是更好地服務(wù)人類(lèi)健康和實(shí)現(xiàn)我國(guó)“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)的重要保障。

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Creation and Continuation of Life: from Basic Science to Applied Science

Zhou Qi

(Institute for Stem Cell and Regeneration, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)

Life sciences aim to benefit mankind through exploring the nature of life by means of various bio-techniques. Due to the lack of advanced techniques in the past, our knowledge about the origin and inheritance of life has remained remarkably limited. With the accumulation of knowledge and the introduction of engineering science, our understanding of the nature of life has been deepened significantly. It is no longer impossible to modify or even create life. Science and technology are auxiliary to each other and jointly benefit humans, the advancement of biotechnology expands the scope of engineering sciences, and the broad vision and methodology of engineering sciences accelerate the development of basic science and biotechnology. This paper presents recent research progress in the field of stem cell and regenerative medicine and discusses how basic research, biotechnology, and engineering sciences can be combined to improve human life.

life sciences; bioengineering; stem cell and regenerative medicine; engineering sciences

2020–06–10;

2020–09–15

周 琪（1970–），男，中國(guó)科學(xué)院院士，研究領(lǐng)域?yàn)樯?、發(fā)育、干細(xì)胞的研究與轉(zhuǎn)化。E-mail：zhouqi@ioz.ac.cn

Q2；N03

A

1674-4969(2020)05-0457-06

10.3724/SP.J.1224.2020.00457