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《美国发布《2024年合成生物学推进法案》》

  • 来源专题：耕地与绿色发展
  • 编译者： 张毅
  • 发布时间：2024-10-24

  • 2024年5月23日，美国参议院发布《2024年合成生物学推进法案》，法案旨在建立国家合成生物学中心，以促进食品和农业领域的创新。通过应用合成生物学技术，加速农业生产的效率、可持续性和系统韧性，从而保障国家安全与经济未来及全球食品安全。法案强调了合成生物学在解决土壤健康、植物科学、动物健康乃至人类健康问题上的潜力。

    该中心将与联邦机构合作，为符合条件的学术机构提供资金支持，以开展与合成生物学相关的研究项目；还将提供一个平台，使研究人员和行业合作伙伴能够发现和开发基于合成生物学的科学解决方案，以提高农业生产效率并减少环境影响。中心将优先考虑细胞生物学、基因组学、微生物学等领域的研究，并鼓励申请者探索新的蛋白质来源和生物技术应用。

  • 原文来源：https://www.congress.gov/bill/118th-congress/senate-bill/4413
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  • 《美国发布《微电子和先进封装技术路线图》》
    • 来源专题：集成电路
    • 编译者：李衍
    • 发布时间：2023-03-31
    • 2023年3月1日，美国半导体研究联盟（Semiconductor Research Corporation, SRC）在美国商务部国家标准与技术研究院（NIST）资助下编制并发布《微电子和先进封装技术路线图》（以下简称“MAPT路线图”）临时报告，从生态系统、系统架构和应用、系统集成和基础微电子四个层面，规划并梳理关键核心技术和培育专业人才队伍所需的步骤，以确保未来美国在设计、开发和制造异质集成系统级封装（SiP）方面的创新能力。MAPT路线图以2021年版《半导体十年计划》和《异构集成路线图》为基础进行构建，提出了一个新的全面的3D半导体路线图，以指导即将到来的微电子革命。 MAPT路线图仍在开发，临时报告旨在广泛征集公众意见以实现高质量的最终路线图。MAPT路线图共包含12章。第一章为MAPT路线图报告概况，其余11章具体包括： 1. 可持续发展与能源效率。根据《半导体十年计划》，现阶段计算解决方案不可持续，随着计算需求的增加，计算的能源需求将超过市场上可用的能源。如果未来十年能源效率没有实现1000倍的提高，2040年后没有实现1000000倍的提高，计算将处于能源受限状态，不会增长、驱动新市场或刺激全球GDP增长。此外，由于全球半导体需求日益增长，以及美国《芯片法案》目标，预计未来几年美国的芯片制造将会增加。同时，从环境和人类健康的角度来看，芯片制造和先进封装所涉及的化学品、材料和工艺以及产品设计本身都必须尽可能可持续。可持续发展与能源效率的跨领域需求包括：（1）提高计算中的能源效率；（2）在半导体器件和系统的全生命周期中（如：设计、开发、制造、使用、产品使用寿命期后废弃管理）提高环境可持续性和效率；（3）随着社会需求的变化，可持续解决方案和系统创新所需的劳动力的发展。 2. 材料、衬底、供应链。本章聚焦微电子封装供应链生态的输入端，材料的来源、环境因素、成本等都会影响封装供应链的韧性和可持续性。MAPT路线图旨在确定未来几代先进电子封装结构中将使用的材料和化学品，重点考虑因素包括：高可靠性材料、新工艺材料、电气性能材料、机械性能/工艺可操作性材料、热管理材料、可靠性/温度/湿度性能优越材料和环境可持续材料。 3. 设计、建模、测试和标准。本章涉及未来的设计自动化组合和行业标准开发。这些设计工具和标准将有效帮助芯片和系统设计者探索和优化不同设计领域以及性能、功率/能源、面积/体积、保密性和安全性等指标，并将成为半导体行业的关键推动者。 4. 制造和工艺开发计量学。本章涵盖了半导体材料和器件研究、开发和制造等各个方面的测量。“表征和计量”可离线、在线和线上使用，包括物理和电气测量的所有方面。“表征和计量”涵盖了从原子尺度到宏观尺度的测量。对新材料和新结构的探索是表征密集型的，而且随着工艺技术的日益成熟，晶圆厂内计量（in-fab metrology）的使用也在增加。本章描述了MAPT路线图所有领域的表征和计量，从材料和器件到先进封装和异构集成以及系统。 5. 安全和隐私。本章确定了新出现的安全和隐私挑战，并概述了解决这些挑战的方法。本章对整个技术堆栈进行了全面分析，但重点强调了对制造和封装技术的影响。本章是对2019年IEEE发布的《异构集成路线图》（Heterogeneous Integration Roadmap）安全章节的补充。本章的主要主题包括：（1）异构集成中潜在的硬件安全漏洞；（2）确定SiP安全内容的可行策略，以及定义合理指标以评估安全弹性实施的可行策略；（3）针对特定应用的攻击预测和防御机制。 6. 劳动力发展。本章概述了未来十年MAPT领域劳动力的需求。美国上下一致认为，目前的人才库以及创建和支持美国国内MAPT劳动力的途径都远远达不到预期需求，并已成为关系美国经济和国家安全的关键点。目前，从技术认证师、专科学位操作员、维护工程师到硕士和博士工程师，MAPT领域不同教育水平的工人在数量、知识、技能和能力方面都不足以满足未来的需求。本章内容主要包括：（1）微电子劳动力需求的预测/时间表；（2）全国“赢得人心”运动的路线图；（3）整个MAPT生态系统的整体、有效的劳动力发展框架。 7. 应用驱动因素和系统要求。本章描述了各种应用领域的影响及其对MAPT路线图所涵盖的关键使能技术方向的影响，并具体讨论了数据中心和高性能计算、移动通信和基础设施、边缘计算和物联网、汽车、生物应用和健康、安全和隐私、以及防御和恶劣环境等应用实例。每一个应用领域都将以不同方式发展，并需要领域特定的系统来实现更高水平性能。 8. 先进封装与异构集成。本章重点介绍了微电子芯片的先进封装和异构集成的各个方面。由于使用更精细的晶体管（低于20nm）微缩芯片的成本优势正在减弱，因此有必要采用一种新方法，即将单个晶粒分解为更小的芯粒（chiplet）并在适当的技术制程上进行经济有效地制造。为了通过芯粒和无源元件的异构集成实现功能“缩放”，封装必须从“芯片载体”过渡到“集成平台”。随着微电子行业朝着为每个应用定制更高性能、更低功耗的解决方案发展，芯粒数量将继续增加。下一代封装技术需要支持这种异构集成的爆炸式增长，实现可以容纳极细间距I/O芯片和极细间距电路系统的互连。 9. 数字处理。本章重点介绍了已经渗透到现代社会各个方面的数字处理技术和基础设施。如今，产率问题、散热设计功耗（TDP）的实际限制、先进技术制程的高设计和制造成本对实现终端用户期望构成威胁。与此同时，人工智能/机器学习相关应用、高级认知需求、区块链等方面都要求处理不断增加的数据集，并执行越来越复杂的计算。单芯片封装解决方案不再适配数据密集型或高性能处理需求。此外，数据处理成本现在主要由将数据移动的能耗决定，包括在处理数据的微芯片内移动数据的能耗。将不同的未封装芯粒进行单片异构集成从而形成SiP，已成为解决这些挑战的重要方案。 10. 模拟和混合信号处理。模拟和混合信号处理驱动着模拟硬件的新兴应用和趋势，本章概述了该领域的短期、中期和长期前景。模拟元件对于世界-机器接口、传感、感知、通信和推理系统，以及所有类型的电气系统的电力分配、输送和管理至关重要。模拟信号处理或“模拟边缘”处理有助于减少必要的数字处理数量。本章的主要主题包括：（1）模拟和混合信号电路及处理；（2）电力转换和管理；（3）智能传感接口；（4）射频（RF）到太赫兹（THz）的器件、电路和系统（RF-to-THz devices, circuits and systems）。 11. 光子学和微机电系统。本章阐述了存储器、计算、传感、通信等所必需的重要配套技术。本章是对2021年荷兰PhotonDelta联盟和麻省理工学院微光子学研究中心发布的《国际集成光子学系统路线图》（Integrated Photonics System Roadmap – International, IPSR-I）的补充。本章的主要主题包括：（1）基于微机电系统和光子学的传感器和执行器；（2）用于通信的集成光子学；（3）用于存储器和计算的光子I/O；（4）材料和加工；（5）设计和建模支持。
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  • 《合成生物学突破了细胞》
    • 来源专题：人类遗传资源和特殊生物资源流失
    • 编译者：yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间：2019-04-18
    • 细胞是自然界最伟大的工程技术之一。它们包含在我们身体整个生命周期的说明中。它们是地球上所有生命的重要组成部分。但他们也有其局限性。 细胞必须存活才能产生蛋白质，这是合成生物学研究的主要兴趣领域之一。这带来了许多挑战。实验室培养的蛋白质传统上是使用基于哺乳动物细胞，酵母和大肠杆菌的表达系统在体内产生的。该方法使用质粒表达所需的蛋白质。但转化的过程 - 将特定基因引入细胞以供质粒编码 - 非常耗时。即使在产生预期的蛋白质后，它们仍然可以被困在细胞中。必须裂解细胞，通常需要化学，酶促或机械过程，因此可以纯化蛋白质。总而言之，通过质粒进行蛋白质表达是非常费力的。此外，它不适合高通量蛋白质表达和筛选，这是任何生产平台满足现代合成生物学需求的重要组成部分。 然后，当然，细胞死亡的事实。实验室中的细胞需要在接近理想生活条件的情况下保持快乐。研究人员还必须确保不要指导会无意中杀死宿主大肠杆菌细胞的蛋白质表达。为了产生某些更有毒的蛋白质，必须添加整个前体相 - 耗费时间，金钱和不小的挫折感。有些项目根本不可能，因为没有办法规避蛋白质与前体相的毒性。 因此，与活细胞一样重要的是生命，它们的局限性造成了21世纪生物学进步的瓶颈。是不是更容易取消细胞的“活”部分并保持其余部分？ 打破细胞 无细胞蛋白质表达就是这样。该技术保留了细胞的组成机制，但却留下了细胞培养和保存的麻烦。这开辟了一个充满可能性的世界。现在，可以快速，一致且可靠地生成感兴趣的蛋白质。这些蛋白质的活力也可以以相同的快速速度进行测试。 西北大学Michael Jewett博士与SynBioBeta讨论了高产无细胞基因表达的进展。 “这些进步为通过遗传电路的模型驱动设计，快速便携的化合物传感和下一代教育工具包的新方法，深刻改变合成生物学提供了令人兴奋的机会。” Jewett博士还看到了“按需生物制造疫苗和治疗剂”的无细胞效益。这对于开发新的抗生素尤为重要，特别是随着全球抗生素耐药性的增加。 像Arbor Biosciences这样的公司可以轻松地让任何研究人员都能使用无细胞技术，这使他们成为研发和合成生物学市场的领导者。他们的无细胞蛋白质表达平台myTXTL®使用主混合物创造一个开放式反应环境，不受细胞壁或细胞膜的限制。主混合物包含大肠杆菌的所有代谢功能，包括转录（TX），翻译（TL）和蛋白质折叠机制，以及氨基酸和ATP再生系统。但事实上，它并不是一个活生生的有机体。掌握了混合物，“表达您感兴趣的蛋白质所需的一切都是DNA模板，质粒或线性DNA，管和移液管，”myTXTL产品开发科学家Evelyn Eggestein博士说。 “它易于访问和控制。” “用户友好”是合成生物学不断发展的关键因素。只有最专业的专家才能在该领域工作的日子正在迅速消失。致力于SynBioBeta的作家Ian Haydon将今天的合成生物学与50年前的计算技术进行了比较：仅限专家。但是，像myTXTL这样易于使用的平台是推进和简化生物技术的下一步。考虑到myTXTL平台还可以与线性DNA片段结合使用，尤其是IDT和Twist等几个提供者可以在不克隆到质粒载体的情况下筛选数百万个DNA样本，从而可以对其进行廉价和序列完善。这种类型的筛选可用于基础研究以及新型诊断工具。 多家公司以及Arbor Biosciences支持的几个iGEM团队正在开发基于家庭妊娠试验形状因子的纸质分析。这些类似卡片的测试包含干燥的主混合物，生物传感器和荧光报道分子。完成测试所需的全部是生物样本本身。这些易于携带的口袋大小的测试有可能迅速识别，帮助减缓甚至控制疾病爆发。它们还可以辅助现场诊断，特别是如果没有冷藏，或者用于筛选实验室覆盖率差的发展中地区的遗传条件。 基于纸张的形状因子的潜力不仅与地球有关。冷冻干燥的混合物可以带到火星上，用水润湿，然后vo！蛋白质生产进入火星。这种深远的思维方式与对合成生物学在太空中应用的日益认可相一致。与往常一样，合成生物学领域的人们正在展望未来。 无细胞技术的未来是什么样的？ 现在，Arbor Biosciences已成功开发出适合高通量筛选的平台，其营销总监Matthew Hymes设想开发具有扩展新功能和特性的无细胞系统。 “E.大肠杆菌只有这么多基本机器，“Hymes解释道。 “那么我们可以在无细胞系统中添加其他元素来驱动特定蛋白质折叠或添加翻译修饰吗？”答案是：是的，我们可以！传统（体内）蛋白质生产平台已经找到了如何生产通常不在细菌细胞质中折叠的蛋白质的解决方案，或者如何用小分子对蛋白质进行位点特异性标记以用于治疗和诊断用途。 “现在是时候将这些方法适应并整合到无细胞系统中，”Eggenstein博士说。 Jewett博士还强调，无细胞系统“是代谢工程进化的下一个阶段。”“[这些系统]为在活细胞和扩大规模实施之前调试和优化生物合成途径提供了令人兴奋的机会。”他们可以还可以执行“设计 - 构建 - 测试”迭代，而无需重新设计生物。当生物转化产率，生产力或细胞毒性限制商业可行性时，它们甚至可以“进行分子转化”。 Hymes承认无细胞技术目前尚未完全处理完整代谢工程的复杂性。但是，当他谈到无细胞代谢工程时，它的语气是“何时”，而不是“如果”。超出当前前沿的科学的确切性质是未知的。但可以肯定的是，未来正在突飞猛进。 Arbor Biosciences的团队已经准备好张开双臂。 ——文章发布于2019年4月5日
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