编者按
生物经济是由生命科学和生物技术的研究和创新驱动的经济活动，目的是在清洁能源、农业、工业和健康等广泛领域创造有用的产品，从而创造就业机会、应对气候变化、减少对化石燃料的依赖。当下，生物经济已经开始逐步取代能源经济，成为国力竞争的重要领域，中美两国均已将其列为战略性、前瞻性的重点方向加以推动。
美国国家安全委员会人工智能和国防创新委员会主席、前 Google 首席执行官 Eric Schmidt 发起的智库 Schmidt Futures，不久前发布了《美国生物经济：为灵活和竞争性的未来规划路线》报告。报告指出了美国发展相关领域的重要性，并建议美国进行更多战略投资，并建设易于访问的国家计算和数据库基础设施，以指导4万亿美元的全球生物经济未来。
报告中的内容，对于大陆发展生物科技、生物经济也具有重要参考价值。为此，芯航编译了该报告的部分内容，以飨读者。
项目简介
为推动下一次合成生物和生物经济创新浪潮，施密特未来公司于2021年10月成立了合成生物与生物经济工作组，作为促进清洁能源、工业、农业、卫生等领域变革性生物导向和生物赋能应用的计划的一部分。工作组成员包括来自物理、伦理、合成生物学等学术学科的内容专家；来自小规模和大型公司的风险投资家和行业领导人；以及来自生物技术联盟的领导者。
考虑到生物经济相关讨论主题的广泛性，本中期报告的重点是确定“推动基于生物学的生产时的研究需求”，并评估基础设施需求，以支持美国的生物经济。计划于2022年春季编写的一份跟进战略文件将提供对其他主题的建议，如人才/人力发展、政策现代化以及用于激励创新的催化行动。施密特未来公司正在考虑其2022年战略文件，欢迎提供关于本中期报告的信息以及关于利益相关方会议的想法。所有信息应当提交给以下列出的项目共同负责人。
为编写本中期报告，工作组成员定期开会讨论各种主题，开发了两种新研究产品为所提出的建议提供信息。为本报告收集的信息包括与50多名专家的访谈、文献综述以及来自会议和在线研讨会的信息。施密特未来公司真诚感谢为这些工作做出贡献的众多人士，也感谢付出了大量时间参加本项目的工作组成员。
执行摘要
自第一项基因工程实验开始的近50年来，美国已经成为世界的生物技术强国，其基于生物学的经济，也就是生物经济，在2016年产生了将近9600亿美元的经济活动，大约占美国 GDP 的5%，其中一半以上的总经济活动来自生物医学以外的领域，包括农业和工业生物技术领域。在接下来的二十年左右或更少，发展成熟的生物经济将有潜力转变生产过程，用可再生生物质能源而不是石油来制造现代社会的产品。这样，将能够减少国家对矿物燃料的依赖，复兴美国整个国家的制造业和就业，建立起更有弹性的供应链，改善国民健康，为实现“创建净零温室气体经济”这一目标做出巨大贡献。但是，分散的领导力、人才开发不足、基础研究和生物工艺基础设施开发投资不足、国际竞争等因素使得美国面临着失去世界领先地位的风险，并浪费了尝试扩大生物经济的创业动力和资本市场利益。如果没有具体措施来解决这些问题，那么国家的经济和安全、公民的健康、国家迈向净零经济从而创造高收入工作岗位并让它们保留在国内的机会都将陷入危险境地。
施密特未来公司——Eric 和 Wendy Schmidt 的慈善创举——成立了一个工作组，开辟出一条路线来实现平台技术（如合成生物和人工智能）的前景，以助力实现近期规划的“4万亿全球生物经济”这一目标。工作组对障碍进行了仔细考虑，将重点放在可实现大规模生产已经准备走出实验室的激动人心的生物经济产品，从而找到将基础科学研究转化为大众可用产品的机会。这样的产品包括：
- 在海水和土壤中可降解为无害化学物质的新一代塑料；
- 用生物工艺生产的碳中和水泥；
- 替代食物蛋白质来源，这些来源使用的水和土地更少，产生的温室气体排放亦减少；
- 适应气候变化的植物，包括耐盐和抗旱作物；
- 其生产可大幅削减二氧化碳排放量并减少有毒废物的纺织品和染料；
- 可减少肥料使用、改善土壤健康并清除大气中二氧化碳的土壤微生物。
施密特未来公司出具的本报告提出了关于公共和私人行动的建议，主要分为两大类：基础科学和技术挑战，以及扩大产能型生物生产基础设施。这些类别的出现基于以下一个事实：目前美国的大部分基础生命科学研究以好奇和发现为导向，而非以应用为导向，这就带来了许多“非学术”挑战，限制了实现生物生产目标的能力，使得这些挑战在美国继续未得到彻底研究和充分开发。此外，由于其他国家正在致力于解决这些挑战，而美国公司也正在用它们的海外技术进行生产和商业化，那么如果这种情况持续存在，将产生同样的“在此处创新，在他处生产”结果，而这样的结果已经给美国制造业和制造业员工带来了太多伤害。
建议简要说明
1. 美国政府应当致力于确立一项为期5年、价值6亿美元的生物生产科学倡议（BSI）并为其提供资金支持，从而保持美国在生物科学领域的全球领导者地位并实现产能扩大。该倡议为重点负责推动当代和未来生物生产相关基础科学和技术开发的相关科学机构增加了预算和款项划拨，主要目标是解决一些妨碍创新技术转化的、尚未得到满足的研究需求。
- 国家科学基金会（NSF）应当作为 BSI 的牵头机构，每年建立两个以生物生产为重点的区域创新加速器（RIA）；
- RIA 应当与相关的联邦科学机构建立新的伙伴关系，以现有专业技术为基础，利用早期投资，实现研究加速的协调。
2. 美国政府应当在两年内投入12亿美元建立广泛而灵活的生物生产基础设施（生物生产能够用多种微生物加工多种原料，以多种规模生产出多种产品），从而以公平、有战略性的方式扩大国内生物生产能力。未来还需要更多资金支持，用于维护和保持这些投入。
- 商务部应当在本工作组的工作基础上综合评估现有设施和功能，从而发现并抓住机会，实现适当、公平的未来设施布局；
- 由10-15种新生物生产设施和翻新生物生产设施组成的网络，再加上为早期技术开发提供的激励措施，将加速从实验室技术向商业化应用过渡；
- 商务部应当探索其他财政激励措施（例如，CHIPS 法案中提及的那些激励措施），从而为小型和大型公司提供资金，以满足其基础设施需求。
3. 为维持全球竞争力，美国政府应当以“将成功规模化生产新产品所需的时间从几年缩短至几个月”为目标，建立并保持创造性的公私合作伙伴关系。
- 商务部应当激励具备深厚人工智能专业技术的公司与拥有生物制造设施的公司建立伙伴关系，从而为创新者提供服务、设施和专业技术。
提供公共和私人融资机会以推动美国循环生物经济并保持美国的生物技术竞争力
施密特未来公司生物经济工作组出具的中期报告
自 Herbert Boyer 和 Stanley Cohen 首次开展基因工程实验的近50年来，美国已经成为世界的生物技术强国，所产生的基于生物的经济（也就是生物经济）仅在2016年便带来了价值近9600亿美元的经济活动，大约占美国 GDP 的5%，促进了私人企业和繁荣创业生态系统的成长。但是，分散的领导力、人才开发不足、基础研究和生物工艺基础设施开发投资不足、国际竞争等因素使得美国面临着失去世界领先地位的风险。如果没有具体措施来解决这些问题，那么国家的经济和安全、公民的健康、国家迈向净零经济从而创造高收入工作岗位并让它们保留在国内的机会都将陷入危险境地。
净零指一个国家的温室气体产生量与该国通过创新从大气中清除的温室气体的量之间的平衡。当我们增加的量并未大于清除的量，则视为达到净零。
在美国，我们拥有科学和工程知识库、商业和风险投资利益、充足的可再生原材料、充满活力的劳动力群体以及应对气候变化风险的创新成果，越来越多的消费者要求并且愿意以更高的价格购买对环境危害较小的产品和其他资源性产品，举全体国民之力发展生物经济，使之远远超出今天的规模。事实上，通过使用和利用构成生命的基本成分方面的变革性的专业知识，我们可以推动全球从使用石油产品和其他不可再生材料来为经济活动提供动能到使用可再生生物质资源来推动经济活动的转变。如果国家利用这一机会及其众多的优势，特别是其在基因工程、分子生物学和生物技术方面的全球领导地位，以及其在人工智能领域的强大地位，我们将：
- 使国家能够实现到2050年建立温室气体净零排放目标；
- 建设一个更健康、更可持续的国家和地球；
- 解决粮食安全和水安全问题；
- 减少国家对境外资源的依赖，减少贸易逆差，增加和强化国家供应链的弹性；
- 振兴城乡经济，为边缘化社区创造经济机会；
- 占据将影响几乎所有人类的事业和福祉的预计4万亿美元全球产业的最大份额以及能够让美国的生物经济引领历史上的第四次工业革命，这一革命与蒸汽机的发明、科学和大规模生产的时代以及数字技术的兴起同样重要。
从石油经济向生物经济的转变不是痴心妄想，减少生态影响和增加经济机会也并非水火不容。相反，科学界的人士连同企业家们经过深思熟虑所得出的共同结论是：生物经济为应对气候变化提供了一个重要的选择，同时也加强和发展了美国经济。事实上，美国政府在过去15年中投资超过50亿美元用于支持生物经济的研究，美国能源部（DOE）预计美国有能力每年可持续生产超过13亿吨可再生生物质——在不影响食品、动物饲料供应和出口需求的情况下，同时向促进土壤健康的低碳投入农业和林业转型。通过联邦政府、学术界和私营部门的共同努力，向生物经济的转变将呈现以下潜力：
- 创造110万个高薪的和能让人心智上得到满足的工作；
- 防止每年2600亿美元的经济活动流向境外；
- 通过将当地生产的生物质用于区域生物生产，促进全国农村地区、城市以及服务水平低下和边缘化的社区的繁荣；
- 取代长途航空旅行和航运可能需要的运输燃料，即使在国家运输部门实现电气化之后；
- 使用可再生生物质而不是传统的化学制造生产化学品和生物产品，并生产出只有自然才能经济地生产的全新材料；
- 为生产和分配所有生物基产品创建一个可靠的、经济的和有弹性的国内供应链；
- 开发大规模、低能耗的基于 DNA 的数据存储器，从而更好地捕捉迅猛增长的人类活动产生的数据；
- 提高食物的营养价值并改善土壤健康，同时减少农业温室气体排放、氮的径流量以及杀虫剂的使用；
- 更有效地利用沼泽地和森林，提高其持碳和持水的能力；
- 培育耐盐、耐旱和抗病作物，以提高农业的适应能力；
- 以及将美国每年的二氧化碳排放量减少4.5亿吨，即全国二氧化碳排放量的近10%或更多，同时探索开发从大气中去除二氧化碳的生物工艺的可能性。
此外，鉴于公共和私营部门研究人员的创造力，一个以生物学为基础的经济，依靠大自然进行人类尚未大规模掌握的化学作用方面的能力，可能会产生全新的材料和生产工艺，就像以石化为基础的经济所做的那样。事实上，人类所开展的合成有机化学已达到可能的极限，而大自然能够扩展可用化学品和材料的范围。现如今可用的对环境破坏较小且对宝贵资源的浪费较少的生物经济产品包括：
- 环境足迹小得多的植物性肉类替代品；
- 生产减少二氧化碳排放和能源使用的纺织品、染料、地毯和家具；
- 由真菌制成的合成皮革；
- 可减少肥料使用、改善土壤健康并清除大气中二氧化碳的土壤微生物；
- 由温室气体排放量较小且不依赖动物原材料的可持续的生物生产的化学品制成的化妆品和个人护理用品；
- 在海水和土壤中可降解为无害化学物质的新一代塑料；
- 在纸浆和纸张漂白、纺织品加工和食品加工等传统行业中使用的用来提高效率并减少能源使用的酶；
- 生物生产的水泥；
- 由甲烷制成的可持续鱼类饲料；
- 可生物降解和可堆肥塑料容器，其生产可减少200%的温室气体；
- 高性能可生物降解的润滑油和润滑脂；
- 来自 omega-3 脂肪酸生产过程中剩余的海藻油的聚氨酯泡沫体，以及为能够在冷水中洗衣服而特制的酶。
同时，实现这种转变并不容易，花费也不会少。这份中期报告以一个由具有广泛兴趣和专业知识的专家们组成的工作组给出的意见为基础，提供了一个国家可以遵循的路线图，该路线图将使美国能够保持其在利用现代分子生物学革命方面的全球主导地位并建立一个公平的、充满生机的和可持续的循环生物经济，它将在未来几十年里为经济、社会、环境、人类健康和国家安全等诸多领域带来诸多裨益。施密特未来公司将于2022年3月发布更全面的计划，以推动美国生物经济的增长。本中期报告侧重于解决基础科学和技术研究需求和建立强大的国家端到端生物生产能力的步骤。
在深入讨论我们争论的核心和国家需要采取的步骤之前，需要对术语“生物经济”“循环生物经济”和“生物生产”进行定义。就本报告而言，我们引用美国国家科学、工程和医学学院在其2020年的报告《保护生物经济》中制定的“生物经济”的定义：
“美国的生物经济是由生命科学和生物技术的研究和创新驱动的经济活动，这是由工程、计算和信息科学领域的技术进步推动的。”
本报告借鉴了我们对循环生物经济的定义的多个资料来源：
循环生物经济是一种放弃传统的“获取-制造-消费-废弃”的线性经济模型的经济模式，转而利用生物技术的力量、生物生产设计以及先进的分析和信息技术来创建实现可持续发展和再生经济循环的过程。在这种循环中，废品作为投入来创造高价值的产品和材料，被尽可能长时间地使用和再利用，而不会消耗有限的资源或产生排入到大气、垃圾填埋场或河流、湖泊以及海洋中的废物。
最后，虽然一些报告使用“生物制造”一词，但本报告使用的“生物生产”一词更具前瞻性，并且涵盖了商业实体用于制造其产品的各种工业和农业方面的工艺流程：
生物生产是指利用生物系统，包括植物、微生物群落、单个活细胞和/或部分活细胞（称为无细胞系统），使用来自卫生、营养、农业、工业应用等广泛的经济部门中的生物质原料和二氧化碳，来生产重要的商业产品。
请注意，本报告并未直接关注如何解决生物经济中生物制药和生物医学部门的需求，尽管后来概述的对生物生产基础研究的投资部分也可能让生物制药和生物医学部门受益，就像生物医学研究产生了基因工具和发现，正是这些工具和发现推动了生物经济的其他领域。这些领域得到了政府和私营部门的大力资助，并且安装了重要的基础设施，考虑到制造实践和监管规范等，这些基础设施与非生物医学应用不同。事实上，生物医学科学在生物经济中的领导地位在某种程度上是对其持续投资的副产品，这表明对非医学生物生产的更广泛投资可以推动生物经济的更快增长。
超越生物燃料和可再生能源
大多数媒体对国家减少温室气体排放和实现净零经济的工作的报道都集中在可再生能源解决方案上，例如交通运输业的电气化。当然，可再生能源，加上改善的能源效率肯定会在实现净零排放方面发挥重要作用，但事实是，用可再生能源取代化石燃料只能解决全国55%的碳排放问题。要解决国家另外45%的碳排放问题，就需要我们改变制造消费品和工业产品的方式以及种植粮食的方式，这就为生物经济提供了大展拳脚的机会。
这一机会的关键是让美国制造的大约96%产品使用生物基化学品作为成分。事实上，这种转变已经开始发生，在几个类别中，一些生物基化学品已经超过了石化产品，每年至少产生1250亿美元的产值，占美国精细化学品收入的17%到25%之间。美国农业部（USDA）的生物优先（BioPreferred）计划已经确定了大约20,000种生物基产品的商业生产。
化学品生物生产的一个优势在于建造生物生产设施的成本，以目前的技术来看，生物生产设施在许多方面与啤酒厂相似。例如，采用当前技术的生物生产设施的成本从10万美元到2亿美元不等，具体取决于其规模、复杂性和处理多个生产过程的能力。生物生产设施相对较低的成本意味着它的资本回报对资本市场相当有吸引力。为本报告提供咨询的专家预计生物生产设施的运营费用也相对较低。
此外，由于生物质的不同性质及其本地化生产的特征，建立生物质化工产业的最实用和最经济的方法是将生物质加工设施设置在靠近其原料的供应地。例如，生物处理设施可以位于城市废物处理设施附近，从而将废物转化为化学品，或者就像一家美国公司正在做的那样，将生物生产设施设置在中国的一家钢铁厂附近，并将其工业排放物用作生物生产的原料。共同配置生物加工设施及其生物质原料将实现全国各地的经济增长，并实现振兴农村社区经济的政策目标，以及帮助那些现在或曾经依赖化石燃料生产的和那些在传统制造业中失业而苦苦挣扎的人群。为了适应区域生产的生物质的不同性质，我们需要对生产过程控制进行基础研究。将生物质送到区域加工中心则需要在物流方面进行创新。
为什么趁现在？
循环生物经济肯定会在到2050年实现净零经济目标方面发挥关键作用，除此之外，还有另一个支持国家投资发展循环生物经济的有力理由：国际竞争和错失振兴美国制造业机会的风险。几十年来，美国一直奉行“在这里创新，到那里生产”的模式，而不是“在这里创新，在这里生产”的模式，这是基于美国在创新方面相对于其他国家的比较优势，它也因此成为制造强国和世界上最富有的经济体。“在这里创新，到那里生产”的模式让国家失去了充分利用电子革命和光伏部署爆炸性增长的机会，这两个领域都是美国的创新成果，却在很大程度上因为劳动力成本低的原因让中国、日本和韩国的制造商受益。至少是让一部分制造商受益。但是这个劳动力成本问题预计不会成为生物生产的关键问题。这种模式所产生的结果是制造能力、就业岗位和经济效益的损失，以及2020年出现的供应链混乱，导致2021年通胀飙升，并使美国企业遭受了数亿美元的损失。
今天，在生物生产方面，美国面临着重蹈覆辙的危险。由于在工艺开发研究、工艺工程、生物生产基础设施和劳动力开发方面的投资不足，许多美国生物生产领域的创新者不得不依靠墨西哥和欧洲的试验和生物生产设施，让位于欧洲的人才来开发大规模生物生产工艺，并出口其知识产权以制造产品，就像他们在电子和光伏领域的前辈所做的那样。此外，如果对燃料乙醇和高果糖玉米糖浆的需求下降，美国中西部围绕玉米加工发展的现有生物经济可能处于危险之中。因此，利用现有的生物质资源来生产具有可持续市场需求的创新产品有助于确保中西部地区生物经济的持续增长。
此外，国际竞争者已经清楚明确地表明了他们将凭借生物技术在21世纪主导全球舞台的意图，并正在投资实施相关的长期战略目标。尤其是印度和中国，已经明确表明了他们打算通过发展国内经济和掌握生物技术成为全球主导力量。为了避免落后于其他国家和失去美国目前在生物技术和分子生物学领域的优势，美国必须开始沿用我们的竞争对手所使用的多个十年计划的时间表进行规划和实施。
与此同时，最近的数十份报告、听证会和发展中的法案表明，利用目前势头支持振兴美国技术型制造业恰逢其时。根据最近一份专门针对美国生物经济的国会研究报告表明，国会在过去几年中引入了几项与生物经济直接相关的立法，包括2020年的《生物经济研究与发展法案》，该法案于2021年再次被引入；2019年的《工程生物学研发法案》；以及2020年的《确保美国科学技术全球领先法案》，该法案也于2021年被再次引入。参议院还通过了2021年的《美国创新和竞争法案》，其中包括2021年的《生物经济研究和发展法案》。这些待立法案如果被签署成为法律，将为支持生物经济的持续增长提供良好的基础。生物经济研究也将遵循最近签署的《基础设施投资和就业法案》（也称为两党基础设施协议）的规定，以及最近宣布的美国主导的净零世界倡议和2018年国家先进制造业战略计划的规定。
总而言之，这些未决的法律对于支持国家生物经济是一个良好的开始，但要充分利用生物经济的潜力，则需要美国政府做出更实质性的承诺。我们随后的报告将讨论联邦政府为进一步激活美国生物经济应采取的具体政策举措方面的建议——也许是类似于《为芯片生产创造有益的激励措施法案》和《促进美国制造的半导体（FABS）法案》的立法。
为什么会搁置？
虽然为21世纪及以后建立生物经济的好处是显而易见且不可否认的，但美国仍有大量工作要做，以解决科学、技术、基础设施和商业化障碍，将潜力转化为现实。解决科学和技术障碍的一些工作正在学术和私营部门实验室进行，要充分发挥其潜力，需要联邦政府擅长的基础研究、开发和基础设施支持。例如，美国政府有通过将数字设计和仿真与制造联系起来来资助工业革命的历史。最著名的例子是用于机械工程和飞机制造的 CAD/CAM 以及用于设计半导体芯片的布局和仿真工具。
就此而言，分子生物学革命归功于联邦资助的生物医学研究，而联邦政府资助的研究已经在合成生物学方面（微生物和植物的直接工程）取得了巨大进展。然而，例如，需要更好地生成、组织、编目和共享有关微生物和植物使用的基因、蛋白质和生物合成途径的所有数据。这样做将使生物工程师能够使用广泛的生物技术数字设计和生产技术，这些技术在逻辑上等同于生产 iPhone、特斯拉和787的行业所使用的技术。这种能力将使生物生产设施能够适应生命系统的可变响应，这使得它们比大规模生产的汽车或手机更难规模化。毫无疑问，联邦政府在这一领域的研究支持将创造额外的平台技术，从而带来意外的进步，就像它在 DNA 测序、DNA 合成和基因组编辑方面所做的那样。
基础设施方面的阻碍可能是将研究进展商业化的更大障碍。一个重大障碍是美国的试验台和中等规模设施的能力有限，而创新者需要这些设施来证明他们可以扩大实验室的成功规模并生产出进行必要的测试和验证步骤足够的生物产品。这一领域的另一个障碍是，寻求大规模生产生物基产品的创新者必须应对与各种特定的设施和工艺的结合，而这些特定的设施和工艺在建立时很可能没有考虑到他们的产品。在新的试验台设施网络的投资，以及建立类似于软件行业使用的应用程序编程接口的数据和技术转移标准，将允许把数据从实验室直接应用到高性能生物生产上，从而有助于新产品更快进入市场。因此，开发能够推动实验、优化生产过程、促进技术转让实施以及将基本产品开发与管理面向客户的生产和合规性的系统集成在一起的生物技术操作系统也是一个道理。鉴于生物质成分的可变性，生物制造商需要将从数据收集和注释到根本原因分析的各种任务进行标准化，这促进了现代工艺开发和管理工具的使用，就像化学工业中处理其原材料的变化要小得多一样。
除此之外，从以石油为基础的一次性经济过渡到循环生物经济还涉及一次性成本，估计未来30年的总成本约为1450亿美元，这个成本或略高于《两党基础设施法案》规定新的联邦支出的25%——但这些支出的期限有限，一旦过渡完成，就会多次得到回报。俗话说，我们需要停止以旧的、不可持续的方式做事——这样继续下去的话，以石油、天然气和煤炭的形式封存的碳转化为二氧化碳和其他产品就会造成环境破坏并危及地球上的生命——我们有能力以更好的方式行事。
在这里发展生物生产能力的另一个制约因素是美国严重缺乏生物工艺工程人才，这提高了从社区大学到研究生院开展各级生物工艺工程教育的需求。虽然我们随后的报告将更全面地探讨劳动力需求，这里只需要指出的是，其他国家正在积极解决这个问题。例如，欧盟早已制定高质量的化学工程和工艺开发研究和培训计划，而美国公司越来越被迫依赖外国培训的人才。今天我们经常听到公司说他们必须依赖荷兰的工艺工程师，例如，试图招聘人才为他们操作设施。
最后，国家需要进行现代化以支持生物经济的监管和政策方面的需求。我们随后的报告将讨论解决这些问题的方法，还将确定一系列与生物经济相关的并将使一系列社区受益的重大挑战和行动，并制定实施计划。
我们需要做些什么
才能实现美国的循环生物经济？
本报告强调的并为公共和私人行动提出建议的研究、开发和基础设施方面机遇分为两大类：基础科学和技术挑战和“端到端”生物生产能力（见图1）。应对创建循环生物经济的和实现净零经济方面的主要科学和技术挑战，将使该国能够释放其他国家鲜有的知识财富、创业动力和风险投资资源。提高“端到端”生物生产能力将使国家能够重启“在这里创新，在这里生产”模式，发展美国生物经济，创造数百万高薪的生物生产工作岗位。
图1：发展基础科技能力、发展生物生产能力和净零目标之间的关系绿色箭头表示依赖生物生产的净零的路径，并反映了本报告的主题蓝色箭头表示不依赖于生物生产的实现净零其他路径图片来源：这个数字是在工程生物学研究联盟的博士后研究员Sifang Chen博士的协助下建立的
美国政府在这些领域的投入的资金将用于应对挑战和消除障碍，这些障碍将释放私营部门创造市场和推动经济繁荣的力量和能力，并解决国家向可持续的、有利于所有美国人的净零碳经济转型的迫切需要。此外，联邦政府对基础科学和技术的投资长期以来一直在创造意想不到的未来应用，包括创造了作为生物经济基石的分子生物学革命的研究。
与此同时，工业在这些工作中发挥着关键作用，特别是通过与政府和学术界的研究伙伴关系来共享知识和专业技术方面。例如，在拥有人工智能专业知识的大型技术公司和生物生产公司之间建立伙伴关系，了解扩大规模的挑战并能够在这个过程中生成大量数据，可以大大减少达到商业生产能力所需的时间。事实上，生物经济中的许多创业和投资活动都集中在自动化、软件和生物学的融合上。
当然，其他组织已经制定了可以广泛支持基础科学和技术研究的路线图，这些路线图将有助于促发展一个充满活力的生物经济。特别是，工程生物学研究联盟针对与生物经济相关的特定基础研究领域制定了若干路线图，包括其最新的工程生物学和材料科学方面的路线图。这项工作的不同之处在于，它特别关注研究和开发活动，以扩大“端到端”生物生产能力，以达到使美国生物经济向循环生物经济发展和加速向净零经济过渡所需的规模。
基础科学和技术挑战
无论是过去还是未来，要实现国家投资的最大回报，美国政府都需要加快其基础生物工程和生物生产的研究。到目前为止，美国联邦政府对研究的支持帮助研究人员开发出不断改进的工具（如 CRISPR）来自由操纵 DNA，并利用这些工具开发出植物、微生物和无细胞系统，此系统可用来大规模生产具有商业价值的化学物质和材料。为了提高国家的生物生产能力，研发工作需专注于为生物生产过程创造合理的设计，包括以下内容：
- 建模、设计和测试代谢途径，以创造自然界中不存在的分子和产品；
- 制定规则、研发数据分析工具、提高计算机建模能力和数据驱动型建模方案，使生物技术专家能够在最合适的生物体或无细胞系统中快速识别并产生精准的基因改造，以便创建建模、设计和测试代谢途径并制造出所需的生化产品；
- 使用新兴的机器学习和人工智能来进行数据驱动型发现。化学工程师、材料科学家和工业生物技术的一些早期采用者目前正在使用这些技术；
- 将实验室规模的结果准确地应用于工业规模生产过程中；
- 在几天或几周内完成所有工序，而非几个月或几年。
与此同时，开展研究，扩展现有的 DNA 生产方法，以便高精度地创造完整的基因甚至基因组。这需要开发基因工具，用于多点同时精准编辑植物和微生物基因组，以改善现有的代谢途径，并纳入理性设计用以创建新的代谢途径。鉴于生物质对未来生物经济有着重要作用，我们需要更加重视植物基因组学的研究和对植物基因组的大量操作。例如，在美国国家科学基金会（NSF）的资助下，科学家成功地收集、注释和比较了26种不同的玉米基因组，以提高粮食和饲料作物的生产率，并开发可在边际土地上种植的品种。另一个研究目标是确定生物体，甚至是协同工作的生物体集合作为生物生产的新“底盘”，以扩大可常规生产的产品范围。
创造能够生产出有价值的化学物质和材料的生物系统仅仅是一个开始。接下来，工艺和化学工程师必须开发出能够实现大规模商业化生物产品生产所需的系统和科技能力。一个与此相关的例子是，将一个家庭作坊式的啤酒发酵罐改造成一家成熟的啤酒厂，并使其能够生产足够的啤酒供应每一家酒类商店、酒吧和餐馆。虽然有许多公司已经能够做到已有产品的大规模商业化生产，但国内的一些初创企业正在努力开发和获取这样的能力。他们这样做有很多原因，详见下文关于提高“端到端”生物生产能力的章节。
由于多个原因，将生物生产的规模从小作坊扩大到商业化生产规模在目前并不容易，比如对活体生物的操控天然就带有可变性。因此，我们需要研发出处理这种可变性的方法，并提高从生物原料中提炼相关物质的效率。此外，政府可以为生物生产产生的单个碳组分（从一个碳到六个碳）以及芳香族化合物的木质素创建市场，为生物经济创建一个碳构建模块管道，因为这些碳组分可以嵌入现有的价值链和基础设施（图2）。对杂质和生物质混合物的耐受性研究也将使这种生产规模的转变成为可能。
图2：一条假想的利用生物质的碳构建模块管道将为各种消费产品和工业产品生产碳原料 | Luis Cascão-Pereira
这需要更强大的建模和模拟能力。为了促进这些能力的发展，我们需要资金来建设一个更便于使用的国家级计算和数据库基础设施，通过更好的模拟来支持生物工程中常见的设计-构建-测试-学习过程。这种基础设施将为工艺工程师提供进行规模扩大实验和改进操作条件的能力，然后将基于实验室的工艺应用于小规模试验中，最后应用于大规模商业生产。目前，这样的规模扩大实验昂贵且耗时，因此，我们需要开展协同研究以优化生物生产规模扩大并使其标准化。
这是一个尚未引起太多关注的领域，但对于实现未来的循环生物经济至关重要，其核心任务是研究如何处理生物技术学家可以用到的各种原料，包括多种类型的基于森林的生物质、草和作物、农业和水产养殖的副产品、食品生产的副产品和废弃物、城市垃圾、废水和由其他过程产生的二氧化碳，以及其他取决于生物生产设施地理位置以及生产季节的因素。
由于生物质原料的可变性，人们不可能预先确定最佳工艺条件。生物生产设施可以借鉴石油行业。石油行业使用先进的计算机建模来调整工艺条件，并将每批原油完全转化为预先确定的化学物质。通过使用相同类型的分析工具和建模，生物生产设施将能够调整其工艺以适应由季节和地理位置变化而导致的生物质原料的可变性。
一旦美国实现了原料的灵活性或者进一步提高了使用不同来源的可再生生物质来促进为生物经济发展的能力，就有可能让最让人头疼的垃圾之一——塑料，变废为宝。研究人员正在研究如何将现有塑料分解成更小的分子并用作生物生产的原料。
这种方法的一个优点是有现成的塑料收集和分类系统。然而，将塑料分解成可用的原料是一项相对较新的且还在发展中的技术，需要研究如何更好地将塑料与生物质原料结合。也就是说，全球主要聚合物生产商正在投资化学回收基础设施，并预计其中的一些工艺技术研发将在未来15年内取得成果。美国现在应该进行更大规模的战略投资，以充分利用这种替代原料。
美国在生物技术和人工智能方面拥有广博的专业人才，这使得美国能够通过适当的政府支持满足上述研究需求。然而，我们对美国政府支持相关研究以发展其充满活力的循环生物经济进行的研究表明，美国政府的相关资金支持多年来一直没有增加（图3）。如果美国真正重视重建其制造能力，在全国范围内创造数百万个高薪就业机会，并实现“净零经济”，美国政府就应该立刻追加投资。实现这一目标所需的资金可能只是最近通过的两党基础设施协议成本的一小部分，而这一投资的回报将足以证明其合理性。
图3：联邦机构对生物经济相关领域的联邦研究资助（2006年-2021年）方法：上面的可视化图示由USASpending.gov协助制作，这是一个关于联邦支出的官方公开数据来源网站。选择的奖励类型是政府津贴，排除了咨询、军事合同和IT基础设施现代化等服务。研究使用的术语是“生物质、生物工艺、生物燃料、原料、生物经济、生物营养素、生物加工、生物制造、合成生物学、无细胞合成、细胞农业、下游加工、扩大生产、生物技术和固态发酵”。选定的奖励机构是农业部（USDA），商务部（DOC），内政部（DOI），国防部（DOD），能源部（DOE），美国国家航空航天局（NASA），卫生与公众服务部（HHS），国际开发署（USAID），国土安全部（DHS），环境保护署（EPA），美国国家科学基金会（NSF），退伍军人事务部（VA）和史密森学会 | Kathryn Hamilton and John Haley，奥罗拉，北美
“端到端”生物生产能力
虽然科技界和工程界已经准备好在未来五年内通过提供适当的支持来应对上述基础科学和技术挑战，但建立全国范围的端到端生物生产能力以将小作坊式生产扩大到大规模商业生产还需要更大的努力以及美国政府在这方面做出的承诺。这将在未来3至15年内完成。这项工作需要在若干领域取得进展，包括研发、基础设施开发、科学和监管政策以及开发替代原料的战略。生物技术产品未来可能产生的风险是一个受关注领域。美国国家科学院、国家工程院和医学研究院对这一主题进行了详细研究，并得出结论：目前或未来的生物经济产品不存在科学界和监管机构尚未解决的新的或独特的风险端点，但生物经济产品的复杂性、范围、规模和进展节奏可能会考验监管机构的能力和专业知识。
开发、试验平台和部署
在生物技术中，产品和工艺是高度融合的。欧洲大学的工艺创新走在美国前面，而美国的工艺创新则基本上不存在。在美国，制造业被认为是一个过时的行业，学生或教师对制造业丝毫不感兴趣。在美国很难聘请到真正的工艺工程人才，而刚从大学毕业的生物工程师更倾向于从事微生物学或合成生物学领域的工作，他们没有接受过适当的扩大技术规模或从事工艺设计的培训。
激励工业界和学术界追求创新，使生物生产技术能力提高10倍，达到实现基于石油经济且在商业上可行的替代方案所需的规模。资金应该用于帮助科学家在未来5年内解决生物生产中的重大挑战，就像当年半导体和纳米技术行业通过国家资助的计划解决其重大挑战一样。通常来说，生物生产需要作出的改进不仅仅是利用好发酵工艺，在这方面，化学工程师可以发挥重要作用将他们开发的化学生产技能应用到一个具有巨大增长前景和社会效益的新行业。
除了投入资金解决生物加工和生物生产中的巨大挑战，还需要采用小企业创新研究（SBIR）和小企业技术转移（STTR）计划所使用的模式来创建纳米光刻产业。将专门用于生物加工和生物生产改进的 SBIR/STTR 基金增加10倍以促进创新，制定相关机制以简化 SBIR/STTR 资助模式并修改与商业化资助相关的法规，否则，从长远来看，这会阻碍小企业的商业化前景和业务发展。
在这一领域还需要支持所谓的试验平台设施或沙盒，扩大能从事专业生产的设备规模，将与扩大规模相关的知识快速传授给创新者。生物工业制造和设计生态系统（BioMADE）就是一个例子。
该研究所的重点业务领域是促进相关基础设施的投资并减少投资风险。一项为期七年的奖励计划为此提供支持，包括来自国防部的至少8750万美元的联邦资金和其他来源的1.8亿美元的资金。
此设施以及类似的设施，将为生物生产行业服务，就像 ARPANET 为互联网的发展服务一样。其他例子包括国家癌症研究所的纳米技术表征实验室，它将提供基于纳米技术的产品商业化所需的分析专业知识，但这些技术对于小公司来说过于昂贵且难以获取。还包括国家可再生能源实验室的国家风能技术中心，该中心提供现场验证场所和复合材料制造试点设施，这些设施在风能技术的进步中发挥了关键性促进作用，使整个行业从中受益。这样的产业支持设施网络将提供以“快速失败”方法评估多种生物工程技术的能力。
基础设施发展
将实验室研究转化为商业化生产的一个重要阻碍是缺乏试验台设施。通过试验台设施，创新者可以与工艺和化学工程专家合作开发规模扩大和创新制造技术，使他们能够以更低的成本将产品更快地推向市场。国家标准与技术研究所（NIST）于2016年建立了国家生物制药制造创新研究所（NIIMBL），作为公私合营机构，以应对生物制药行业的挑战。就像 NIIMBL 在生物制药生产领域投资那样，为竞争前领域的生物加工基础科学投资将有利于整个行业的发展。既能帮助行业从业者获得相关知识，也能为创新者提供机会来证明他们的工艺在资本市场介入大规模商业设施建造前可以实现中等规模的商业化。美国联邦政府可以通过建立区域性试验台设施网络来产生推动作用，这些设施可以使用多种生物体来处理各类原料，以多种规模生产多种产品，使创新者能够制定出扩大规模的流程并生成性能数据，为转向商业化生产奠定基础。市场风险让资本市场目前还处于观望状态，而上述做法将降低市场风险。
目前已有国产合同承包生物生产设施，但其中的许多设施已经开始服务于生物制药行业并在 GMP 标准下运作。由于这些盈利性合同设施收费高昂，生物经济初创公司在试图开发每磅价格低于生物医学产品甚至化妆品成分的产品时，很难与生物制药公司竞争。美国政府已经支付了一大笔定金用来解决生物生产能力的某些限制。BioMADE 是公私合营试验台生物生产设施的最新例子，一旦建成，它将致力于解决生物经济领域的某些需求。另一个这样的设施是“高级生物燃料和生物产品流程开发单位”（ABPDU），于2009年获得资助，是以“美国复苏和再投资法案”为基础设施投资的体现。这个位于劳伦斯伯克利国家实验室的能源部管辖下的设施的需求量是如此之大，以至于无法满足潜在客户的需求。尽管得到了联邦政府的投资，但许多公司不得不去寻找比利时、加拿大、中国、德国、印度、墨西哥、荷兰、斯洛伐克、斯洛文尼亚和其他地方的合同制造商以获得国内无法提供的必需基础设施。此外，目前还没有公开的全面资料来记录现有的国内生物生产设施的位置和功能，这一点与欧洲不同。
因此，该工作小组初步汇编出一份现有的生物生产设施和基础设施的资料用来显示某处设施的地理位置以及该设施是公有还是私有财产。这份资料可用作未来建设公共数据库的基础 (图4)。
图4：公有的和私有的生物生产设施绿色、蓝绿色和海军蓝分别代表私有、大学附属或公有生物制造工厂实心圆和空心圆分别代表工厂运行是否活跃和未知 | 此图是在工程生物学研究联盟的博士后研究员 Albert Hinman 博士的帮助下创建的
在国际竞争力方面，如果美国的目标是取得国际领导地位，美国现在必须采取行动建立更多的此类设施，因为其他国家已经开始这么做了。例如，英国已经建立了国家生物制品制造中心、工艺创新中心和工业生物技术创新中心，以促进其新兴生物制品业的发展。在太阳能领域，美国联邦政府未能帮助羽翼未丰的企业度过中期发展阶段，这在中国崛起成为全球主要光伏电池供应商的过程中发挥了重要作用。如果美国现在和未来五年不采取行动来对生物生产基础设施进行战略性积极投资，美国的生物经济也会发生同样的情况。
除了资助试验台设施，美国政府还可以通过鼓励使用现有的大规模基础设施来扩大生物生产能力。美国政府还可以实施税收减免、补贴、贷款担保计划和其他财政激励措施，以进一步投资生物加工基础设施和改造现有设施，包括现有的闲置纤维素乙醇和制药设施，以及用以其他生物生产领域的玉米制乙醇设施。
此外，美国政府可以支持新兴生物生产硬件行业，或许可以通过创建“即插即用”型中心来提供源源不断的生物生产合作伙伴。
这类中心可将研究重点放在设计模块化生产系统上，使公司能够随着产品需求的增加相对容易地扩大生产规模。目前，因为风险资本回避资助独立的设备制造公司，生物经济领域的许多初创公司不得不自行设计和开发硬件（如新型生物反应器）以提高其工艺产量。
推荐
上述讨论介绍了美国拥有的关键资产以及需要进一步发展以充分利用这些资产的研究、开发和基础设施关键领域。正如本报告前面提到的，监管考虑和政策考虑是支持美国生物经济整体战略的基本要素。该工作小组将于2022年3月提出一项整体战略，但在此，我们将重点关注将实验室成果转化为试验台生产并最终转化为大规模商业生产所需的具体行动上，以推进当前的美国生物经济发展，并为未来实现温室气体净零排放的循环生物经济奠定必要的基础。我们确定了以下三个需求：
- 制定战略性生物生产研究计划以促进私营和公共部门创新，从而消除现有的转化障碍；
- 建立并维持创造性的公私合伙关系，公开行业内积累数十年的隐藏知识和数据以加速技术转化；
- 通过基础设施投资建立和维持下一代生物生产试验台网络，以阻止离岸技术流失。
建议
1. 美国政府应致力于保持其在生物基科学领域的全球领先地位，并通过为期5年，金额达6亿美元的生物生产科学计划（BSI）来扩大生产规模，该计划扩大了相关科学机构的预算和职权范围，重点关注如何推进当前和未来生物生产的基础科学和技术发展，并消除阻碍创新技术转化的障碍。
概括地说，生物生产能力的创新可以通过提高大规模生命系统的可预测性和实现生物生产的模块化来实现。联邦科学机构已经为这些重大事项做出了初步努力，但还需要作出更大胆的努力来催化必要的创新。BSI 应支持对本报告中详细阐述的重大事项进行研究并在此进行高度概括：
- 创建基于规则、数据和模拟能力的代谢途径设计软件，用于生成新的分子和产品；
- 开发研究具有生物生产能力或巨大潜力的微生物、植物和动物细胞的遗传和表征工具，包括用于读取、多路编辑和编写全基因组的工具；
- 开发微流体和数字工具，通过模拟、测试、数据收集和迭代，实现对从实验室规模到工业规模转换的成功可能性的预测性理解；
- 通过开发下一代生物生产能力实现循环性，包括模块化生产硬件、新型软件控制系统、加工本地和其他来源的原料库存的上游企业灵活性，以及为未来生物领域的投入创新下游加工和方案制定活动。
国家科学基金会（NSF）应当作为 BSI 的牵头机构，每年建立两个以生物生产为重点的区域创新加速器（RIA）。
NSF 支持所有非医学科学和工程领域的基础研究和教育，其既定使命是“推动科学进步，促进国家健康、繁荣和福利，并确保国防安全”。
鉴于该项目包容性的职权范围，国家科学基金会是这个多学科生物生产科学倡议的理想家园。通过 RIA 和传统资助的补充研究，NSF 可以实施上述重点研究事项，扩大现有的相关资助，创建新的创新产业伙伴关系，并推进对循环生物经济研究的初步探索。
RIA 应当与相关的联邦科学机构建立新的伙伴关系，以现有专业技术为基础，利用早期投资，实现研究加速的协调。
向国会提交的2022财年 NSF 预算请求将 RIA 描述为伙伴关系(行业、学术机构、州和地方政府)的载体，但联邦机构之间的伙伴关系不包括在该描述中。在拥有专业知识的机构之间建立伙伴关系可以进一步加速生物经济发展，并有助于打破应用领域之间的孤岛。
例如，RIA 可以与美国能源部的 ABPDU、Agile BioFoundry 和原料转化接口联盟（Feedstock-Conversion Interface Consortium）以及美国农业部的原料灵活性项目（Feedstock Flexibility Program）合作以推进基础研究和扩大未来生物经济原料选择的范围。
2. 美国政府应当在两年内投入12亿美元用于广泛、灵活的生物生产基础设施（生物生产能够用多种微生物加工多种原料，以多种规模生产出多种产品），从而以公平、有战略性的方式扩大国内生物生产能力。未来还需要更多资金支持，用于维护和保持这些投入。
为了最大限度地发挥美国生物经济的潜力并重获竞争力，美国需要建立额外的具有内在灵活性的模块化试验性规模和中等规模设施，而且需要将其作为优先发展的领域。
商务部应当在本工作组的工作基础上综合评估现有设施和功能，从而发现并抓住机会，实现适当、公平的未来设施布局。
要运营这样的设施，需要提高原料获取能力、训练有素的劳动力（或通过培训/再培训计划培养劳动力）、以及学术界和工业界的合作伙伴关系，还须思考这一新兴工业活动应如何最大限度地造福社区。
由10-15种新生物生产设施和翻新生物生产设施组成的网络，再加上为早期技术开发提供的激励措施，将加速从实验室技术向商业化应用过渡。
之前的联邦生物生产基础设施投资，如根据美国“复苏和再投资法案”创建的能源部 ABPDU，NIST 的 NIIMBL，国防部的“高级再生制造研究所”，证明了其在获取重大联邦投资回报方面是有价值的，而新的国防部 BioMADE 设施预计也将带来显著回报。然而，这些设施不足以满足美国创新者日益增长的需求，他们不得不在国外开发相关技术。
此外，商务部应探索其他金融激励措施，如写入 CHIPS 法案的激励措施，为小型和大型公司提供资本，以满足其基础设施需求。
这种激励措施可以采取税收激励和贷款担保这两种形式，使公司能够在技术成熟时为自己的新设施提供资金和（或）收购和改造已有的基础设施。这种方法可振兴那些拥有闲置生物或化学精炼厂的社区。
3. 为维持全球竞争力，美国政府应当以“将成功规模化生产新产品所需的时间从几年缩短至几个月”为目标，建立并保持创造性的公私合作伙伴关系。
鉴于缺乏相关的学术研究项目，美国在生物生产方面的大部分专业知识存在于相关公司和目前正在运营的少数公共资助设施中。因此，美国需要采取行动来释放几十年来积累的宝贵隐性行业知识和数据以加速技术转化并释放创新浪潮。
商务部应当激励具备深厚人工智能专业技术的公司与拥有生物制造设施的公司建立伙伴关系，从而为创新者提供服务、设施和专业技术。
新型公私伙伴关系可以消除创新者面临的阻碍规模扩大的障碍，如缺乏生物生产设施、缺乏跨规模技术转移的经验以及转让专门技能和隐性知识。参与这样的合作伙伴关系可能取决于花费一定比例的生物生产时间为更大的生物经济群体服务，使其产品从一开始就具有经济竞争力，或者为未来的生物经济劳动力提供培训或实习机会。
结束语
人工智能和合成生物学等平台技术的融合可加速多个经济领域的生物技术解决方案的制定，推动美国经济迈向有韧性的可持续发展的零碳经济模式。美国政府巨大的基础投资催生了生物技术的发展。美国完全可以通过其以生物技术为基础的经济模式来实现更大的投资回报。事实上，随着世界各国对循环生物经济的逐渐接纳，美国应利用其强大的生物技术专业知识在基于生物技术的全球循环生物经济中占据领导地位，而大多数国家都没法做到这一点。然而，要做到这一点，美国政府需要进行额外的投资，以促进从实验室规模向商业规模的转化。
正如本报告所述，美国生物经济已做好创造巨大经济和公共利益的准备，但尽管人工智能和基因组编辑工具等新的赋能科技正迅速发展且将大大加快实现价值达4万亿美元的全球生物经济规模，美国政府在生物经济相关研究方面的投资在过去几年中却一直停滞不前。然而，要在未来5年内实现这一构想，美国需要对生物产品研发和基础设施支持进行约20亿美元的新战略投资。
生物生产设施和公共数据库（如欧洲的 Pilots4U）的缺乏阻碍了美国工业获得有助于其技术成熟的资产。几家拥有新兴技术的美国公司已经因为国内生产力不足而将业务转移到了海外，从而让其他国家获得了原本应该美国获得的技术权利。美国现在的当务之急就是弥补这一差距，上述建议提供了实现这一目标的路线图。此外，美国政府仍有机会创建一套拟议的生物生产规模设施并且可以实施的新型“企业对企业”信息技术基础设施，使创新者能够在研发创新技术的同时考虑到规模变化的兼容性。
总之，通过生物生产能力的创新，生物技术应该成为实现零碳未来的另一套工具，为工人及其社区提供更好的生物生产工艺、更清洁和更安全的创新技术，以及应对和适应气候变化的手段。现在，美国应该抓住这个千载难逢的机会进行必要的投资，以生物经济为基础，打造未来的循环生物经济模式。
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