近年来，全球各国都十分重视生物科技的发展，大力投入以推进生物科技领域的基础研究。2022年9月，美国国家科学基金会（NSF）和英国生物技术与生物科学研究理事会（BBSRC）分别资助3000万美元和1900万英磅，支持对生物科学基础问题的研究，从而驱动对基本生命规则的理解。

一、NSF促进生物启发与生物工程系统的基础研究

9月19日，NSF宣布投资3000万美元，用于支持“新兴研究与创新前沿”（EFRI）计划中涉及工程类脑系统和创建安全与可持续工程生命系统的跨学科基础研究项目^[1]。共有15个项目分别获得200万美元为期4年的资助。

1、用于工程化节能电路和人工智能的脑启发动力学研究。15个项目中，有7个属于该研究方向，它们将推动脑启发工程学习系统的发展，例如神经形态设备，可模拟生物智能的灵活性、稳健性和效率，并降低信息处理的能源成本。这些项目将促进对生物学习原理的理解，并有助于设计更好的算法、电路、网络和设备。研究主题包括理论神经科学、基于大脑的硬件设计和弹性自适应技术的算法学习。

（1）生物脑和人工脑中刺突序列的树突处理。斯坦福大学牵头，将利用来自大脑的灵感，包括使用神经科学家最近发现的树突学习，在神经科学理论和实验技术的指导下，对大脑的学习规则进行逆向工程。研究成果将用于3D打印的新型神经形态芯片中。

（2）学习电机动力学的神经启发、弹性闭环反馈控制。加州大学圣地亚哥分校牵头，将解决脑机接口领域中一个尚未解决的关键挑战。其主要目标是应用最新的理论来理解生物运动控制，开发脑机接口解码策略以实现快速有效的持续学习，从而实现跨多种行为环境的稳定控制。

（3）用于预测和自适应脑恢复与增强的光学神经协处理器。华盛顿大学牵头，旨在通过两个方面的创新来创造一个“大脑协处理器”：首先，根据从大脑收集的神经信号创建新算法，以提供更高的精度；其次，采用光学硬件，不仅可高速、低功耗地处理信息，还可通过利用大脑中的光控蛋白质直接与大脑交互。

（4）人工智能中自适应和持续学习的睡眠依赖记忆巩固原理。加州大学圣地亚哥分校牵头，旨在将对睡眠的理解转化为对人工智能中持续学习、概括和知识转移所需的深度学习系统的改进。利用人工神经网络和蜜蜂大脑信息处理之间的结构相似性，该项目将在体内和生物物理硅模型中精细描述蜜蜂大脑的多相睡眠，以揭示睡眠在记忆巩固中作用的关键原则；应用这些结果来支持开发新的机器学习算法，以便在复杂和动态环境中进行适应性和持续的学习。

（5）弹性自治系统中的快速上下文学习。康奈尔大学牵头，将从生物脑电路中提取的计算原则用于工作算法开发，并从这些算法中识别和分析核心计算主题，以便将来重新使用。该项目的总体目标是构建和部署具有高性能自主性的本地智能、节能和便携式边缘设备，即在次优和不可预测的现实条件下表现出有弹性和上下文感知的任务性能。

（6）具有分层时间尺度和可塑性机制的无监督持续学习。西弗吉尼亚大学牵头，将研究在电鱼的小脑反馈通路中观察到的原理，这些原理是其神经网络不断塑造的驱动力，使其功能在不同的时间尺度上适应，并以多种速度学习和遗忘。这将实现持续学习新范式的转化发展，从而支持实时自主系统的弹性和终身学习达到新水平。

（7）利用受皮层局部电路启发、基于原型的显著性，限制深度学习模型的假设空间。约翰霍普金斯大学牵头，将通过使用大脑的计算模型来帮助人工智能系统更有效地利用数据和电力，从而缩小自然智能和人工智能之间的差距。该项目的目标是创建一个混合架构，在此架构中，局部电路将执行一种注意力机制，为具有卷积架构的全局学习网络选择特征提供“门”或调制。

2、工程生活系统研究。有8个项目属于该研究，将着力研究提高安全性和可持续性的生命系统和技术，用以设计细胞、植物和其他生物。这些项目在自我复制、自我调节、自我修复和环境响应等新能力方面具有革命性的潜力。研究主题包括设计有弹性和可持续的建筑环境、为安全的建筑环境进行病原体监测，以及用于生态友好型供应和回收关键矿物、金属和元素的生物采矿。

（1）用于建造和修复室外建筑环境的自主工程生活材料。华盛顿大学牵头，主要目标是开发能够自我强化/修复的低水化的工程生活系统（ELiS），创建具有生物维持功能和生物控制的水培ELiS，以及使用增材制造技术来制造建筑环境的紧固件、接头和用于建筑环境的原型面板。该项目通过减少碳足迹（降低运输成本和绿色生产）和化学循环（蛋白质材料的化学回收）来实现更可持续建筑环境。

（2）用于稀土元素生物开采的细菌-噬菌体混合系统。加州大学伯克利分校牵头，总体目标是探索综合生物采矿工艺的开发，以可持续地从国内矿石、矿藏和废料中提取、分离和浓缩稀土元素。研究的具体目标是：发现和设计可以键合和输运稀土元素的蛋白质；设计可键合稀土元素的噬菌体，用于选择性分离稀土元素；将工程菌种与噬菌体整合，构建混合稀土元素提取系统；调查上述稀土元素生物采矿新工艺的社会、经济、政治和环境影响。

（3）生物膜功能化和维护的生活基础设施系统。蒙大拿州立大学牵头，通过使用被称为“生物膜”的固定微生物群落开发多功能且易于修复的基础设施材料。具体目标包括：结构优化基础设施材料，通过工程生命系统（即生物膜）实现多功能化和按需修复；通过可更换的活体处理墨盒和将生物膜永久集成到基础设施中来提供功能上的灵活性；识别并解决可能阻碍采用工程化、生活化基础设施材料的文化、社会和经济挑战。

（4）火星风化层微生物催化土壤形成的生物风化动力学和生态生理学。亚利桑那州立大学牵头，总体目标是探索微生物催化土壤生成过程的开发和实施，以从火星风化层中去除高氯酸盐，同时产生含有支持植物生长和栽培所需的有机碳和无机养分的土壤。为推进这一目标，项目团队将研究如何通过选定的微生物群落调整火星土壤模拟物的生物风化作用，以产生可支持火星上植物生长和作物种植的土壤。

（5）开发益生菌干预措施以减少建筑环境中病原体的出现和持续存在。加州大学圣地亚哥分校牵头，目标是对芽孢杆菌菌株进行生存和病原体排除的工程设计，并将其部署到多孔建筑材料中。研究团队将部署一个迭代过程：在不同表面材料上对芽孢杆菌-病原体竞争进行生化建模；对枯草芽孢杆菌菌株进行基因操作以提高其活性和持久性；将菌株整合到复合材料中将有助于开发最佳菌株结构。

（6）用于实时监测废水中病原体的活微生物传感器。莱斯大学牵头，目标是开发能够持续监测废水中是否存在SARS-CoV-2的活体传感器。具体包括：建立可以直接检测SARS-CoV-2刺突蛋白等大分子的工程微生物方法；开发可扩展的方法将工程微生物加工成功能性生物杂交材料；设计能够放大电活性微生物传递的电子信号的紧凑型低功耗设备。

（7）机械自适应活结构材料。康奈尔大学牵头，提高可持续隔热材料的性能。具体包括：多尺度建模；使用现有的可持续建筑材料（大麻混凝土）制造机械敏感生物试验台；分析活体建筑材料的法律影响。

（8）用于可持续稀土金属回收的三维可打印生物反应器。德克萨斯大学奥斯汀分校牵头，目标是创建封装的工程细菌的3D打印组件，这些组件将能够以环保的方式从矿石和工业废品（如粉煤灰）中选择性地提取稀土元素。具体包括：开发可产生生物分子的微生物培养物，加强对稀土元素的提取和分离；开发智能的生物液滴结构，增强镧系元素的输运和浓度；开发用于功能结构化、细菌包裹的液滴的高通量印刷方法；将所需的生物反应器液滴结构整合到膜生物反应器中，以实现可持续的稀土元素回收。

二、BBSRC加强对基本生命规则的探索

9月22日，英国生物技术与生物科学研究理事会（BBSRC）宣布将为5个项目提供1900万英磅的资助^[2]，以支持开展解决生物科学基础问题的研发工作。这次资助旨在：确定专门的核糖体如何调节基因表达，以深入了解某些癌症和其他核糖体相关疾病中的转译如何出错；发现和改进新的塑料降解酶，以提高回收塑料废物的能力；了解细菌免疫系统的工作原理，以揭示如何在对抗抗微生物耐药性的斗争中利用自然基因组防御系统的组合；确定如何使用光来催化酶促反应，酶促反应可用于合成热活化酶无法合成的新产品，例如燃料和其他高价值化学品；了解古老的通用膜修复系统如何运作，以改进细菌在工业生物技术中的使用。

（1）专门的核糖体。该项目将使用机器学习方法将比较基因组学、核糖体分析、结构质谱、冷冻电子显微镜、生物纳米技术等一系列尖端技术生成的数据，整合到4个主要的真核生物模型（真菌、昆虫、植物和人类）中。这将使破译“核糖体代码”成为可能，从而深入了解“核糖体病”和某些癌症的转译如何出错；还可能揭示操纵蛋白质组的新途径，从而扩展未来工程生物学方法的工具包。

（2）酶促光催化。结合最先进的生物物理、计算和蛋白质工程方法，该项目将采用设计-构建-评估-学习的循环方法来发现光生物催化的通用原则。这将对现有光酶的功能提供新的基础知识，同时为开发全新的天然含黄素光催化剂开辟道路。从长远来看，这些工程光催化剂可用于合成热激活酶无法合成的新产品，例如燃料和其他高价值化学品。

（3）多层细菌基因组防御。该项目旨在从分子到种群的范围内，更广泛地理解多层细菌基因组防御系统。研究团队将使用生物信息学、生物物理和分子生物学方法，了解基因组防御系统之间的相互作用是如何保护细菌免受感染的，并将结合实验进化和数学建模来确定多层防御系统如何塑造细菌基因组和可移动遗传元件进化。该项目产生的知识有可能揭示出天然基因组防御系统的组合如何在抵御抗微生物耐药性（AMR）的过程中发挥作用。此外，这些组合可以在实验室中进一步完善，以生产新一代的基因组编辑工具，用于广泛的工程生物学应用。

（4）新型塑料降解酶。目前已知的天然塑料降解酶非常少，而且这些酶的效率相对较低，不能降解所有类型的塑料污染物。该项目旨在通过采用计算和蛋白质工程相结合的方法，发现新的塑料降解酶并提高其催化能力来解决这些限制。在发现和定向进化新型酶的通用方法的同时，利用这些方法来生产改进的塑料降解酶。从长远来看，这些新型塑料降解酶可以提高回收塑料垃圾的能力，为英国的净零目标作出贡献。

（5）了解古老的通用膜效应器。该项目旨在利用生物信息学、微生物遗传学和先进的生物物理学方法，对与临床和工业相关的微生物中的IM30系统进行功能表征。这将有助于确定IM30蛋白如何在进化趋异生物体中免受保护膜损伤，从而揭示强大细胞生命进化的早期步骤，以及对抗AMR方面的新途径。                           （郑颖）