登录
 机构网站
  1. 首页
  2. 情报产品
  3. 快讯详情

《美陆军拟开发新型生物技术防护手段》

  • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： huangcui
  • 发布时间：2019-11-22

  • 据Homeland Preparedness News网站7月3日报道，美国陆军正在研究如何利用微生物基因工程检测和抵御一系列对士兵的无形威胁，包括辐射、毒气、环境毒素和蚊子等。经过基因工程编辑的微生物很微小且不需要用电，军队可通过它们将新的传感器和防御系统植入士兵的制服来达成抵御目的；科学家Justin Sanchez则表示还可以使用基因编辑酶CRISPR-Cas9来改变微生物的DNA，使其散发出一种能驱逐昆虫的挥发性气味。海军研究实验室生物学家Sarah Glaven透露，目前海军也正在研究类似的生物技术防护手段。

140浏览量
原文链接
相关报告

  • 《应对疫情爆发的新型疫苗技术概述》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：huangcui
    • 发布时间：2018-12-21
    • 自200多年前第一种疫苗被研制出以来，疫苗接种极大地减轻了世界范围内传染病的负担，其中最显著的效果便是根除了天花，并且控制了脊髓灰质炎、破伤风、白喉和麻疹等疾病。目前大量的研究工作集中在改进现有的疫苗和发现新的疫苗上，比如2006年开发的人乳头瘤病毒（HPV）疫苗。然而，全球人口密度、年龄分布和旅行习惯的巨变以及气候的改变都有助于新旧病原体的出现，这些病原体的存在成为疾病大流行威胁的风险。近年来，艾滋病毒（HIV）、严重急性呼吸综合征冠状病毒（SARS-CoV）、埃博拉病毒和寨卡等严重感染性疾病的迅速蔓延，突显出了全世界对做好疾病大流行万全准备的迫切需求，需要快速地研发和配备相应的疫苗以应对那些可能新出现的病原体。更重要的是，还要寻找新的方法来应对抗生素耐药细菌的感染。考虑到以上种种，现有的用于确定新候选疫苗的方法已经不足以保障全球了。因此，开发能够实现快速开发和大规模生产的新疫苗技术至关重要。 9月19日，Frontiers in Immunology期刊发表文章《应对疫情爆发的新型疫苗技术》（New Vaccine Technologies to Combat Outbreak Situations），集中讨论了应对这些全球卫生威胁挑战的潜在新方法，包括病毒载体疫苗以及核酸（DNA和mRNA）疫苗等。 在疾病爆发情况下疫苗研发面临的挑战 传统的常规疫苗通过减毒或灭活相应病原体的方法，成功地减轻了相关传染病的传播，包括促使天花的消灭以及对脊髓灰质炎、破伤风、白喉和麻疹等疾病的控制。然而，现有的疫苗制备方法在疫情爆发的情况下可能并不合适甚至不可行。减毒活疫苗通常都有逆转的风险，这使得该方法不适于针对高致病性并且未经鉴定的病原体疫苗的开发。而灭活的疫苗可能无法激活人体的免疫反应（如埃博拉疫苗），甚至还可能导致不良反应的发生，比如在20世纪60年代的临床试验中，经福尔马林灭活的呼吸道合胞病毒（RSV）会在野生型RSV感染中加剧疾病。此外，疾病爆发的具体情况也可能限制常规疫苗开发的可生产性。常规的方法要求对病原体的培养和繁殖，而在疫苗生产的过程中，可能会受到各个因素的阻碍，比如在体外条件下难以或无法培养出病原体，或者对病原体的培养需要在较高生物安全等级和专门的实验室中进行。因此，需要新的普适方法来对完整病原体经行培养，有效并快速地对抗疫情的发生。 要验证这些新技术能否对于未来的疾病大流行起着有效预防作用，还需要克服很多挑战。新发病原体的不可预测特性是全球疾病大流行防范的核心问题之一。人畜共患病不断对人类造成威胁，如艾滋病毒、SARS病毒和中东呼吸综合征冠状病毒这类以前没有被鉴定过的病原体被引入人群中。而流行性流感病毒引起的全球爆发表明，已知的病原体也有变异和适应新宿主或新环境的潜力。近年来的局部地区疫情和全球范围内疫情充分说明，RNA病毒引发疫情的风险最高，其高突变率有利于其的适应性。 由于在疫情爆发前无法确定相关病原体，时间跨度仍然是开发有效疫苗所面对的主要障碍之一。目前，传统疫苗在临床阶段的平均开发时间基本都在10年以上。因此，迫切需要新的方法，快速开发疫苗和进行使用许可，以防止新爆发的疫情蔓延全球。 另一个主要的问题是疫苗开发生产的成本。使用现有的技术手段开发一种新的候选疫苗估计需要超过5亿美元，而进一步建立设施和设备的费用则从5千万美元到7亿美元不等。虽然说为了达到安全标准，某些疫苗开发的成本是无法避免的，但是在大多数传统疫苗技术中，对每种疫苗的专门生产过程和设施的需求使得疫苗的功能验证及生产成本居高不下。 另一个问题是现有方法的生产力通常不足以供应全球疫苗接种。即便已经知道潜在的威胁，并且已经建立了疫苗生产的技术流程，比方说对流感疫苗的制备，在流感爆发的高峰期间，疫苗的供应还是存在问题。经过世界卫生组织（WHO）的努力，流感疫苗在2015年时的潜在生产能力理论上说可以供应全球43%的人口接种两剂疫苗。然而疫苗生产的全球分销在发达国家和发展中国家之间存在巨大的差异：2015年一项研究调查显示，仅5%的流感疫苗剂量分布在东南亚、地中海东部和WHO非洲区域，而这些地方有着全球一半的人口。此外，大多数目前获批的流感疫苗鉴定病毒基因型和生产分发的过程要经历3-5个月的时间，这已经足够让流感病毒在全世界范围内传播了。因此，面对疫情爆发的威胁，快速生产大量疫苗的技术是非常必要的。 目前通过监测具有高流行潜力的病毒来应对这些挑战的机构中，最值得注意的是流行病防范创新联盟（Coalition for Epidemic Preparedness Innovations，CEPI），它主要资助和开发针对潜在大流行病原体的疫苗。 疫苗技术 过去几十年间，一系列新疫苗技术发展蓬勃，从活病原体的靶向衰减技术到生物工程蛋白和抗原肽以及病毒载体和核酸抗原技术层出不穷。该文章重点讨论病毒载体及核酸疫苗。 病毒载体疫苗 基于病毒载体的疫苗需要在一个不相关的，经过人工修改的病毒中插入一个或多个抗原的编码基因，这是一个高度通用的平台。相比于目前许多成熟的疫苗技术，这种方法存在许多优势。这种技术通常采用有活性的（能复制但很微弱）或非复制型的载体。20世纪80年代以来，大量的研究已经构建了多种病毒作为疫苗载体，这些病毒进入宿主细胞后能够编码外源的抗原。 鉴于目前已经有大量不同类型的病毒载体可供选择，并且它们作为免疫原的使用操作和相关功能都有海量的研究，这种病毒载体疫苗是疫苗开发方面一个很有价值并且具有高度通用性的研发平台。 病毒基因组在经过改造后可以表达任何一种抗原蛋白，它们这种稳定接受基因组中插入较大基因片段的能力是对疫苗大量开发一个强有力支持。在用基因信息传递目的抗原的过程中，需高保真的抗原合成，准确定位和加工，比方说蛋白质的折叠、多聚、修饰以及保证其在细胞内被运输到特定的靶点。值得注意的是，这种方法一般适用于人类病原体来源的病毒靶向抗原，它们会在人类细胞中自然表达。而那些细菌抗原或寄生虫抗原有可能在哺乳动物细胞中有着不一样的定位和加工方式。病毒载体能够在模拟自然感染的靶细胞中诱导刺激，从而激活有效的免疫反应。因此，病毒载体疫苗无需额外的佐剂即可接种。 虽然病毒载体疫苗有许多优点，但是疫苗开发时还必须考虑几个方面。首先，病毒载体是转基因的产物，因此有人认为它们的释放会对人类健康和环境造成潜在的威胁。其次，病毒载体疫苗的使用引发了对其在人体中安全性问题的关注，比如说这些病毒是否会整合到宿主基因中或者说减毒的疫苗在宿主细胞内是否会持续大量复制。这些问题都要在疫苗开发前和进行临床试验期间做好详细的评估。因为这些担忧不仅关乎疫苗安全，还很有可能在疾病大流行情况下导致临床研究的推迟。 在病毒载体疫苗的生产过程中，每个病毒系统都需要用不同的细胞体系进行培养，因此不同的病毒载体需要不同的制造设备。病毒载体疫苗的生产是一个相当复杂的过程，通常会涉及到多种来自人类或动物的成分，因此在疫苗生产的各个步骤中都需要对污染物进行全面检测。 DNA疫苗 核酸疫苗的开发和生产有许多优势，然而使用DNA作为疫苗的基础也有劣势。其中一个问题是注射这种疫苗后DNA质粒在体内是否会长期存在。事实上，很多临床前研究表明，在小鼠模型里，肌肉注射DNA疫苗后，该DNA质粒可在体内存在达两年之久，并且能检测到其低水平的表达和免疫原性。尽管在一些实验中并没有检测到小型动物模型肌肉注射后出现DNA整合的现象，但是在经过小鼠电转实验后能够观察到基因组整合的现象。这表明了整合现象虽然是小概率事件，但是仍要在增加外源DNA摄取的体系中考虑到这一风险。 WHO建议将整合研究作为DNA疫苗临床前安全计划的一部分。此外，还要考虑注射含有非甲基化CpG序列的细菌DNA是否也会引发安全问题。在接种过疫苗的生物体内，抗药性的标记是否存在潜在表达能力这一疑问同样也引起了疫苗安全方面的担忧，研究人员会在新一代DNA疫苗中选用替代的筛选标记来消除这一疑虑。 最后一点，那些用来增强DNA疫苗免疫原性的细胞因子或共刺激因子的加入，可能会对身体内细胞因子的正常表达和释放产生不良影响，比如说造成广泛的免疫抑制、慢性炎症反应或自身免疫疾病。 RNA疫苗 尽管已有研究报道经皮内或淋巴结内途径注射裸露mRNA能够诱导免疫应答，但只有mRNA还不足以用作广泛使用的预防性疫苗。由于细胞外普遍存在核糖核酸酶可以催化RNA的水解，处于非保护状态下的裸露mRNA在生理条件下是高度不稳定的，并且由于其亲水性和强大的净负电荷性，进入体内后很难被细胞有效地吸收。而克服了这一系列问题的新一代mRNA利用了脂质纳米颗粒（Lipid Nanoparticle，LNP）一类的高效载体，使mRNA不受核糖核酸酶的影响，延长相应的抗原在体内表达的时间，因而在该疫苗进行体内注射后能够产生强有力的体液免疫反应和细胞免疫反应。 利用RNA疫苗激活天然免疫反应可能是一把双刃剑。系统性的I型干扰素对模式识别受体的激活有促进免疫应答的作用，但是它也会导致真核细胞内翻译起始因子2α的磷酸化，从而导致蛋白质翻译缓慢甚至是被抑制。目前已经有很多研究旨在克服I型干扰素通路激活所导致蛋白质翻译停滞以及mRNA降解的增加。然而目前尚不确定哪种方法会为人类预防疫苗提供更好的基础。 与DNA疫苗一样，mRNA疫苗能够诱导机体的体液免疫和细胞免疫反应。mRNA疫苗体积非常小，只包含了一个选定抗原的开放阅读区域（open reading frame，ORF）并辅以特定的调控元件，因此它们不会像病毒载体疫苗那样诱发机体对疫苗载体的免疫，因此可以进行多次注射。此外，mRNA疫苗可以通过不同的途径使用传统的注射方法（DNA疫苗的注射还需辅以基因枪等设备）。因此，mRNA疫苗为大众提供了一个灵、快速、最具成本效益的选择方案。 总结 艾滋病、埃博拉病毒及寨卡病毒的流行引起了全世界对威胁人类健康的病原体的防范与关注。新发病原体的出现可以促进疫苗研发平台的发展以应对未来疫情的爆发，为预防工作提供动力。新的疫苗研发平台，比如说病毒载体疫苗和核酸疫苗都有其自身的优缺点，这与它们诱导特定免疫反应的能力、生产能力和安全性都有关系。 病毒载体疫苗能够诱导机体对其携带的特定靶抗原产生有效的免疫应答。事实上，许多临床试验已经证明，病毒载体疫苗，比如说VSV-ZEBOV在诱导人类产生保护性反应方面有很大的前景。然而，在非相关病毒环境下进行抗原传递使得这项技术在生产制造方面稍显复杂。DNA疫苗的生产拥有相对简单、完全合成的优势，虽然在DNA载体中存在的非功能性序列引起了监管安全方面的担忧，但是新的DNA疫苗技术已经允许DNA载体只携带目标抗原的核酸序列。 与DNA疫苗一样，RNA疫苗技术支持相对简单，完全合成的制造工艺，可以使用相同的生产工艺和设备制造不同的RNA疫苗。不仅如此，在疫苗安全性方面，RNA疫苗缺乏在基因组中整合的能力，并且也不会如DNA疫苗一样的体内持续存在，这是其一大优势。可是，由于RNA疫苗是上述介绍中最新的一项技术，因此它在人类中的使用还不如前两者突出。幸运的是，迄今为止的临床研究在安全性和免疫原性方面都取得了令人鼓舞的结果，并且为进一步的临床探索提供了强有力的支持。
    405浏览量
    原文链接

  • 《中国石化成功开发微藻生物质利用成套技术》
    • 来源专题：微藻光驱固碳合成生物燃料产品的关键技术研究
    • 编译者：王阳
    • 发布时间：2021-01-10
    • 谈起微藻，很多人常常联想到湖面上绿油油的浮萍。在诗人的世界里，它无根无依靠，随风东西流。然而，作为世界上最简单也最原始的生物之一，微藻就像一个有待开发的巨大宝藏，经过加工，它能制成保健品、化妆品及高品质饲料等，用途广泛，甚至还能与能源变革产生联系。 　　多年以来，中国石化石油化工科学研究院微藻生物技术研发团队瞄准微藻高值化利用的方向，锁定微藻用于减排氮氧化物（NOX）和二氧化碳的关键科学问题，开展深入研究，开发了从烟气NOX高效固定、优良藻种选育、微藻规模养殖、采收加工到微藻生物质利用的全产业链成套技术，创新提出微藻脱硝组合工艺，实现改善环境污染与生产生物能源的集成，验证了微藻高值化利用技术路线的可行性。“微藻用于NOX和二氧化碳减排的集成与创新”项目获得中国石化2019年度前瞻性基础性研究一等奖。 　　基础研究探索本质 　　能源、环境和食物是人类可持续发展面临的重大问题。化石能源过度使用造成的环境污染日益严重，而现有脱硝技术运行成本高，且存在二次污染等问题。此外，我国还是全球蛋白质原料最大进口国，每年进口大豆近1亿吨，蛋白质原料对外依存度甚至超过石油，开发新的蛋白质来源意义重大。 　　微藻被称为由阳光驱动的“活化工厂”，可在常温常压条件下，将无机碳、氮高效转化为有机碳（主要为糖类与油脂）和有机氮（主要为蛋白质）。中国石化新能源研究所所长、石科院微藻生物技术研发团队带头人荣峻峰介绍到，微藻易养殖、生长速度快，石油化工企业在生产过程中排放的大量烟气、废水和低温余热，如果能利用起来为微藻生长提供充足营养和适宜温度，再通过微藻减排NOX和二氧化碳，处理废气废水，同时生产微藻生物质，进一步转化为微藻蛋白或微藻生物柴油等高价值生物产品，可谓一举两得。 　　然而，现有微藻脱硝技术由于尚不成熟，一直无法满足工业应用对效率和稳定性的要求。荣峻峰认为，技术的不成熟，归根到底在于对其基本原理理解得不透彻。从2010年起，荣峻峰和团队开始介入微藻生物技术领域，剖析微藻脱硝技术背后所隐藏的科学本质。 　　NOX在水中溶解度低，就对氧化体系中NOX的化学吸收过程进行分析，找出提高吸收率的关键点；NOX高效脱除的条件与微藻生长的适宜条件不一致，就将化工过程和生物过程分离，分别进行优化后再结合；微藻对脱硝产物亚硝酸盐耐受性差，就对微藻细胞氮代谢机制进行研究，提高氮转化效率。开展烟气耐受的藻种采集、分离纯化、驯化筛选及性能评价，获得了能高效固定NOX和二氧化碳的优势藻种35株，建立起藻种库。 　　通过层层分解，团队从反应原理、传递过程及细胞生理状态等不同角度，对NOx固定与微藻生长所涉及的各个环节开展基础研究，充分掌握了实验现象背后蕴含的科学规律。 　　技术开发锐意创新 　　有了理论基础的指导，团队开始着手进行技术开发。在建立技术体系之前，首先要确定微藻的养殖模式。 　　通常微藻养殖分为自养和兼养两种模式：自养即微藻以阳光为能源进行生长，具有成本低、技术简单、易于大规模养殖等优势，但自然光的能量密度低，存在着生长速度慢的缺陷；兼养即微藻同时利用光能和外源有机物作为能源生长，这种模式生长速度快、脱氮效率高，但养殖成本高。两种技术路线各有优劣，到底选择哪种方式更合适？团队中存在不同意见。 　　关键时刻，荣峻峰带领团队放下了对养殖方式优劣的争论，将目光投向脱硝技术的需求方——污染源。 　　石油化工技术复杂多样，排放含氮污染物的质与量也有很大差异，单一的技术路线很可能无法满足未来工业化应用对脱硝技术的需求。在对需求进行精准分析后，荣峻峰提出两条路线并行开发的思路：自养适合用于处理低浓度大流量的含氮污染物，兼养则更适合用于处理棘手的高浓度含氮污染物。两种技术路线并行使用，可极大程度提升工艺的适应性，进而提高技术应对复杂市场需求的整体竞争力。 　　明确了方向后，团队成员迅速开展技术开发与实验室小试、中试研究，在新型光生物反应器、光能兼养技术、微氮刺激技术、养殖液循环利用技术、微藻高效采收与亚临界油脂提取等方面实现创新与突破。再将各单项技术进行有机整合，率先建立了完整的微藻脱硝组合工艺，实现了烟气脱硝与微藻养殖既紧密耦合又独立运转。 　　截至目前，团队已申请中国专利60件，获授权34件，申请国外专利10件，在美国、日本和欧洲已获授权，构建起完整的专利网。相关研究成果得到可再生能源全球创新组织的肯定，认为“该成果首次提供了一种利用微藻进行实际大规模烟气减排的可能性与工业化策略”。 　　未来发展生机无限 　　微藻应用于环境保护是一个典型的跨学科研究课题，涉及化学化工、环境科学与生物技术多个领域。石科院微藻生物技术研发团队的成员也有着丰富的学科背景，有研究微藻出身的科班力量，有工程开发经验丰富的技术专家，还有干了大半辈子石油化工，依然保持着对新领域新知识的渴求，选择踏入微藻行业的“新人”。知识、阅历及经验不同的成员们在一起交融碰撞，形成了一支思路开阔、执行力强、分工明确而又团结互助的优秀队伍。 　　在传统石化行业眼中，微藻生物技术还是一个新鲜事物。技术好不好用、能不能满足需求、成本效益情况如何，是用户最为关心的问题。而这些问题，都有待于工业示范试验来验证。 　　目前，微藻脱硝技术正在中国石化催化剂公司长岭分公司、石家庄炼化分公司与湖北化肥分公司开展工业示范试验。为保证试验的顺利进行与数据的完整可靠，团队成员积极投身到一线工作中，长期驻守在试验装置现场，对装置的运行情况进行密切监控，及时解决实验过程中出现的问题。 　　随着我国生态文明建设不断推进，发展绿色经济、低碳经济、循环经济是大势所趋、潮流所向。展望未来，微藻脱硝技术能够利用污染物生产高价值生物产品，化腐朽为神奇，实现环境保护与社会经济发展的和谐统一，具备无限的潜力。这一方案也将为中国石化践行绿色发展、履行低碳责任，成为循环经济的引领者提供一条颠覆性技术路线，成为“绿水青山就是金山银山”这一科学论断的有力注解。
    435浏览量
    原文链接