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美國白宮科技政策辦公室(OSTP)生物技術和生物製造研發戰略(二):氣候變遷解決方案與跨域創新

薛孝亭、洪立萍/ 發布日期:2023/10/02/ 瀏覽次數:90

一、前言

2022年9月拜登政府頒布了行政命令-「推進生物技術和生物製造之創新以實現永續、安全和有保障的美國生物經濟(Advancing Biotechnology and Biomanufacturing Innovation for a Sustainable, Safe, and Secure American Bioeconomy)」。爾後, 2023年3月,白宮科技政策辦公室(The White House Office of Science and Technology Policy)公佈「美國生物技術和生物製造的宏偉目標(Bold Goals for U.S. Biotechnology and Biomanufacturing)」策略文件,設定了美國生物技術和生物製造的明確目標與優先事項,涵蓋氣候變遷解決方案、食品與農業創新、供應鏈韌性、人類健康、跨領域創新等五大領域。本文將針對氣候變遷解決方案與跨領域發展推動等兩領域之發展目標與行動建議進行簡介。

 

二、氣候變遷解決方案

為了減輕氣候變遷對社會與環境的衝擊,需要迅速採取行動,開發低碳生產技術與解決方案以支持社會所需的燃料、化學製品與材料,並且將二氧化碳從大氣中除去。同時,前述技術還應盡可能地減少對環境的傷害,如水資源、生物棲息地等。

有鑒於此,美國能源部(Department of Energy, DOE)於本篇報告中制定出四大發展主題、十項目標以及研發需求,內容簡述如下(各發展主題之短期與長期目標請參閱圖一):

 

(一) 運輸與固定型燃料 (stationary fuel)
目前交通運輸產業占美國總排放量達29%。儘管電動車與氫能載具正迅速發展,然而仍需要永續液體燃料為航空、海運、鐵路等難以減碳之交通運輸產業提供動力來源。永續液體燃料的生產以廢棄物、植物等生物質作為原料,為了滿足未來交通產業的需求,需要生物技術支持擴大原料供應、生產永續航空燃料(sustainable aviation fuels, SAF) 和開發其他戰略燃料等領域之持續創新。

目標1:擴大原料 (feedstock) 供應
如何永續且高效率地將農林殘留物、城市有機廢物等生物質來源轉化為燃料與產品,為待克服的挑戰。規劃研發項目包括:減少原料生產、收集、運輸和預處理的碳足跡;開發能夠永續且符合經濟效益地處理廢物以及將污染物分離的技術。

目標2:生產永續航空燃料 (sustainable aviation fuels, SAF)
目前電池技術短時間內難以達到長途航空所需要的功率和重量要求。將生物質和廢棄物轉化為永續航空燃料,可以在短期內達到降低航空溫室氣體排放的目標。研發需求包括:了解各項具備取代傳統航空燃料潛力之新技術如何互相搭配使用;開發與生產可用於SAF的新型生物基化合物。

目標3:開發其他戰略性燃料
規劃研發項目包括:開發能夠使用多種原料的生產技術;建立燃料品質標準和測試方法;優化纖維素原料的加工方式。另外,該類燃料之生產技術應將小規模生產以及使用當地原料等因素納入考量,以實現分散式生產。

 

(二) 化學與材料
目前塑料、口紅等數千種日常用品都是以石油或天然氣為原料,且當前的生產方式會排放大量的溫室氣體。其中很大一部分的溫室氣體排放可以透過生物製造和使用生物質資源來降低與消除。為了達到前述目標,政府規劃在低碳化學製品與材料,以及促進材料循環經濟等兩項領域持續投入。

目標1:開發低碳(low-carbon-intensity)化學製品與材料
採用生物基原料和生物製造可以減少溫室氣體淨排放、穩定化學製品價格並可降低供應鏈中斷風險。相關研發需求包括:提高不同碳源化學製品的產量與生產效率;結合生物學與化學,開發最能減少溫室氣體排放的平台化學物 (platform chemicals)與產品。

目標2:促進材料循環經濟
廢棄塑料會對全球環境造成嚴重污染。因此,全球需要能快速實現傳統石化基聚合物的循環經濟,並為生物基塑料之廢棄物回收與再利用建立基礎。該目標之研發需求有:擴大塑料廢棄物回收技術開發與商品化,尤其是目前無法回收的混合廢棄物;提升塑料等材料之可回收性與可堆肥性;建立先導實驗工廠,以測試材料合成、生產與回收等新技術。 

 

(三) 以氣候為中心的農業系統和植物
農業領域的碳排放量占美國總量的9%,且大部分為非二氧化碳排放,例如土壤會釋放氧化氮;腸道發酵與糞便會釋放甲烷。開發將碳保留於土壤中或將其引導並轉化供植物生長使用等新技術,對農業淨零碳實現至關重要。政府規劃在下列三項領域進行研發投資:

目標1:開發原料生產系統的測量工具
土壤管理產生的一氧化二氮約佔美國一氧化二氮總排放量的3/4。因此,需要密切關注與監測農業活動對土壤溫室氣體的排放與影響。研發需求包括:改進溫室氣體排放與土壤碳封存的估算、測量和監測方法;制定碳與營養鹽通量(flux)之測量與驗證框架以及工具。

目標2:設計更優異的原料作物
先進的生物技術可提高原料作物的產量,並可更優異地控制土壤中微生物與植物的碳和營養鹽通量,進而改善土壤健康和永續性。具體研究規劃涵蓋:對植物和土壤微生物聚落進行研究並建立低碳生產;制定能衡量以生物工程改良植物的方法。

目標3:設計循環蛋白質食物生產系統
目前植物與動物蛋白質生產,需要消耗大量能源。此外,估計到 2050年,蛋白質產量需要增加一倍才能滿足全球人口需求。利用微生物生產蛋白質,除可增加產量,同時能降低土地的使用需求。該目標規劃之研發項目與行動包括:開發新生物加工方法,擴大以生物技術為基礎之蛋白質的生產規模;對現有制定食品蛋白質生產進行嚴格且透明的分析,以獲取生產新穎來源之蛋白質所需之必要資訊。

 

(四) 二氧化碳移除
僅靠減少溫室氣體排放仍不足以讓美國在2050年實現淨零排放,並將全球氣溫上升控制在1.5°C內。因此,需要開發將二氧化碳從大氣中去除並且能永久封存之新方法,而生物技術在此方面具備發展潛力。政府規劃在下列兩項領域進行研發:

目標1:開發地景規模(Landscape-Scale)的生物技術解決方案
透過種植多年生植物作物、免耕農業(no-till agriculture)等地景管理(landscape management)方式,可以逐年改善土壤健康並提升土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)。SOC能改善土壤蓄水能力、植物產量,提高農業效率,並可以改善植物固碳能力。為了增加SOC,規劃研究主軸包括:為高產量作物與森林開發基因工程技術與工具;研究植物與土壤的交互作用等。

目標2:實現碳清除和儲存生物質(Biomass with Carbon Removal and Storage, BiCRS)
除前述解決方案外,還需要創新的碳清除和儲存生物質(Biomass with Carbon Removal and Storage, BiCRS)技術,將農作物、廢棄物等生物質封存於固體碳(solid carbon)或適當的地質構造中。研究規劃涵蓋:確定最具成本效益的BiCRS技術與路徑;探索使用仿生或無細胞系統等方式捕獲大氣中的二氧化碳。

 

三、跨領域創新

為了確保生物技術和生物製造快速地發展,以保護環境、支持農業發展、改善民眾健康、建立具韌性之供應鏈,必須在跨領域整合上(如基礎生物科學、生物材料與AI)持續推動創新。美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)提出了六項跨領域研究主題,各項主題內容簡述如下(5年與20年目標請參閱圖二):

 

(一) 利用生物多樣性為生物經濟提供動力
生物技術的前景仰賴於利用生物體的各種特性與能力來生產新產品與技術,例如迄今使用的抗生素和抗癌藥物多來自於微生物和植物產生的化學物質。因此,提升對地球上各物種的認知(包括物種基因型與表型的關聯),將能更有效的發揮生物技術的潛能。

(1) 加強探索不同生物體之新功能
研發規劃包括:串聯與整合現有公私部門之基因體定序能力,以提高物體基因體定序效率並降低成本;挑選特定物種並制定定序策略;加速計算和實驗工具的開發。

(2) 將生物多樣性應用於新生物技術
研發規劃包括:開發能將基因轉移到另一種生物體上的新生物技術;擴大基因與生物工程中可使用的宿主(host)種類;創建新實驗室,利用生物多樣性研究成果,為生物經濟設計新材料、設備和產品。

(3) 為生物經濟打造一個由多機構與安全數據基礎設施組成的強大生態系統
規劃事項包括:強化全國數據處理與分析能力,包括網絡基礎設施和生物資訊系統;鼓勵建立具互可操作性與公平開放性的生物數據網絡,並制定數據標準。

 

(二) 強化生物系統的模擬預測與工程設計
隨著人工智慧技術的迅速發展,目前在生物科技與生物工程的預測已有顯著的進展,例如,迄今已能夠根據蛋白質序列來預測其功能。然而,欲實現快速、可靠且準確的預測與設計複雜生物系統,例如開發更耐旱的植物或從頭設計具有特定功能的藥物分子,需要於以下項目持續投入:

(1) 在生物分子、細胞、有機體和生態系統上實現預測
研究方向包括:強化生物分子相互作用的預測能力;預測細胞、生物體和聚落之間的溝通模式;結合生物科技、數學與計算機模型,為人造組織和器官設計提供關鍵資訊;使用AI來分析生態系統數據,以設計能夠抵禦氣候變遷的生態系統。

(2) 利用預測與人工智慧技術改進生物設計
研究規劃涵蓋:開發新穎演算法和自動化工作流程,來預測可能的生物結構,以實現複雜細胞、生物體和其他復雜生物系統的設計;合成細胞或有機體並探索生物設計的限制。

 

(三) 拓展構建與測試生物系統性能與品質的能力
近年來,合成生物學普遍採用了一種稱為設計-構建-測試-學習循環(Desigh-Build-Test-Learn cycle, DBTL cycle)的框架來發現、設計與持續改進生物工程系統。為了能開發出更為複雜的創新生物系統,需要發展更強大有效的建構與測試技術以及工具:

(1) 擴展構建新生物系統的能力
研發需求包括:開發能精準操縱生物基因體、轉錄體、蛋白質體等體學之先進技術;構建生物分子與細胞之精準高通量化學修飾平台;開發能將細胞精準組裝成器官、個體的新方法。

(2) 擴展測量、傳感、驅動和控制生物系統的能力 
研發需求包括:開發不會干擾細胞正常功能的感測器;開發能迅速完整讀取基因體、蛋白質體與代謝體之平台技術;開發能快速量測細胞間溝通訊號的技術平台與工具。

(3) 透過公共基礎設施加速DBTL能力
研發需求包括:建立全國生物製造工廠(biofoundries)網絡;串聯生物製造工廠以及生物工程相關之零組件資料庫(如生物感測器資料庫)。

 

(四) 改進生物系統的放大與控制
過去20年來,美國在生物設計和創新方面一直處於世界領先地位,然而在製程放大與控制方面的能力並未顯著提升。為了克服前述挑戰,需要:

(1) 透過製程模擬、優化與設計加速生產規模擴大
研發需求與行動規劃包括:開發預測細胞等生物系統於生產環境中之行為與表現的能力;建立能結合生物系統性能模擬與生產模擬的分析預測系統;提升生物系統數位孿生的能力;利用現有的製造設施進行模擬驗證。

(2) 改進生物過程(biological process)控制
研發需求包括:利用於細胞內嵌入感測器等方式,提升生物過程控制能力;預測生物製造過程中難以直接測量的參數,如酵素活性。

 

(五) 創新生物製造方法
新形式的生物製造方法有助於生物技術創新與生物經濟發展,進而擴展與強化人體能力、改善健康,甚至實現創新的數據儲存方式。

(1) 生物材料製造創新
研發需求包括:利用生物奈米機器人提高奈米材料/產品的製造能力,或開發能大量生產昆蟲絲或外骨骼等生物聚合物的設備。

(2) 改進細胞以及生物組織與裝置設備的結合形式並開發創新材料 
該項目涵蓋:開發能列印骨骼或軟骨等活體組織替代物之先進生物列印技術;利用DNA、病毒、細菌開發創新應用,如利用DNA儲存數據;改善神經與大腦類器官的製造能力,可應用於神經修復或生物計算。

(3) 在人類科技(human-technology)展開創新
研發需求包括:創造能提高民眾生產力與生活品質的技術,如認知輔助、無縫擴增實境(Seamless AR),以及安全的健康監測技術。

 

(六) 實現合乎道德、安全和公平的生物技術產品
生物經濟能否蓬勃發展很大部分取決於民眾對創新產品的接受度。例如,基因轉殖食品的安全性目前仍遭受民眾質疑。為了確保創新生物技術能取得民眾信任,需利用協作、循證等創新方式,讓利害關係人與使用者能共同參與,並且以嚴謹、資料驅動等原則,開發合乎道德、安全且公平的生物技術產品。

(1) 將社會科學納入生物技術發展
規劃事項包括:開發新方法,將倫理、社會和經濟等研究納入生物技術開發各階段決策中;為民眾參與技術開發奠定證據基礎;對生物技術和生物製造之倫理問題進行研究。

(2) 強化證據基礎,確保生物技術產品與生產流程的安全 
規劃事項包括:發展生物技術產品與生產流程對環境以及健康風險的評估能力;投資生物技術產品監管的研究。

(3) 提升生物技術和生物製造研發領域的多樣性與公平性
改善代表性不足族群的參與度,確保生物技術和生物製造開發中包含不同觀點;使所有人都能參與生物經濟,並從生物技術中受益。

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