在实验室种细胞VS用计算机造细胞——并驾齐驱的生物制造“密码”

“建立未来产业投入增长机制，培育生物制造、量子科技、具身智能、6G等未来产业”，2025年政府工作报告中，首次将生物制造列为未来产业之一。

细胞是生命最基本的单位，人体约由40万亿细胞组成，我们能否利用前沿技术，制造细胞、造福患者，在生物制造这一前沿领域，拔得头筹?

生物医药是上海三大先导产业之一，2024年产业规模已超9800亿元。正在打造全球高地、力争2025年产业规模破万亿元的上海，在生物制造这一前沿领域已悄然“策源”，跟随科技工作者的研究，一起去探寻生物制造的密码。

在实验室“种”细胞

现场直击：用“种子细胞”种出“人工肝”

走进位于上海市嘉定区的微知卓生物科技，一条像“种粮食”一样“种细胞”的生产线，正稳定运行着。

通过科研工作者的手，脐带细胞重新复苏，通过来自中国科学院分子细胞科学卓越创新中心的肝细胞转分化核心技术，就能变成一颗颗“种子细胞”。在无菌的环境下，工作人员对这些“种子细胞”进行扩增，最终得到10的十次方级别的肝脏细胞，均匀地分布在一次性罐子中。

科研工作者在实验室进行肝脏细胞扩增。(受访者供图)

这百亿级的细胞，如果凝结在一起，大约有人类肝脏的十分之一那么大。可是，这样100多克的“人工肝”，却将成为不少肝衰竭晚期、又等不到肝源患者的希望。

就像“肾透析”一样，这套融合了生物细胞与机械装置的生物人工器官，可以为肝衰竭病人提供十个小时左右的“肝外挂”，让病人的肝得以“喘息”和再生，挽救他们的生命。近期，这套系统在浙江大学附属邵逸夫医院成功救治了一名不到20%残肝的术后肝衰竭患者，使得病人最终避免肝移植。

嘉定的这条生产线，是首条用于生物人工肝的转分化肝细胞研发与生产线。历经系统与严谨的临床前研究，于2022年正式获批进入临床试验阶段，如今已进入II期临床试验，也因此成为目前国际上研发进展最为迅速的生物人工肝系统，让“细胞制造”这一前沿领域真正迈向产业化。

专家解密：中国医学科学院生物工程研究所副所长黄鹏羽

高等生命体由无数细胞有序构筑而成，这些细胞组装成身体中如精密零件般的器官。然而正如机械会磨损，器官也会损耗、故障，需要及时修复与更换。这就如同维修机器，我们同样面临替换“零件”与“材料”的需求。而可替代的细胞或器官，正是实现这一目标的关键。

作为基础构建单元的“种子细胞”，成为数百年来科学界持续探索的核心技术，也是实现组织再生与器官再造的基石。正因如此，近年来逐步兴起的细胞制造产业，已被视为生物制造领域最具前瞻性的方向之一，并有望重塑未来人类医疗与健康的格局。

1951年，美国约翰·霍普金斯大学医院从弗吉尼亚州一位烟草农户家的黑人女性体内分离出子宫颈癌细胞，成功培养出第一株人类细胞系——海拉细胞，自此深刻改变了医学研究的模式。然而，这类肿瘤细胞仅能用于科学研究，无法用于临床治疗。

而另一方面，人类正常的体细胞通常难以在体外持续培养。绝大多数人体细胞一旦离开机体环境，便会迅速走向衰老与死亡，这几乎被视为生命科学中的基本定律。一个重要的转机出现在2007年，诺贝尔奖生理学或医学奖得主，日本京都大学的山中伸弥带领团队将胎儿成纤维细胞改造成为多能干细胞。这类细胞不仅能在体外大量扩增，更具备分化为几乎所有细胞类型的能力，由此成为了再生医学中种子细胞制备的底层技术。

但是，细胞制造的路径，从来不是仅此一条。多能干细胞技术对技术要求极高、生产周期长、成本也十分昂贵。中国科技工作者一直希望能找到一种更快速、简便且低成本的细胞制备方法。最终，我们成功将人的皮肤成纤维细胞直接转化为功能成熟的肝细胞，并建立了使这类转化肝细胞实现大规模扩增的培养体系。

肝脏疾病是严重威胁中国民众健康的重大公共卫生问题。大量重症肝衰竭患者急需肝移植手术延续生命，然而器官供体的来源极为有限。目前，中国肝脏移植的供需比例约为1:7，严峻的现实促使我们寻找新的治疗路径。那么，通过转分化技术获得的肝细胞，能否改变这一困局呢?

事实上，许多急性肝衰竭患者的肝脏仍具备自我修复的潜力，器官功能并未完全丧失，只是暂时“停工”。然而，人体不同于机器，关键器官一旦暂停工作，即便时间短暂，也可能导致不可逆的生命流逝。基于此，我们设想出利用转分化技术制备的功能性肝细胞，在体外构建一种生物型人工肝脏。让患者的血液流经该装置，经其解毒、代谢等处理后再回输体内，相当于在体外建立起一个临时而功能完备的“肝脏替代系统”，为患者自身肝脏的修复争取宝贵时间，也为等待肝移植的患者架起一座生命之桥。

而今，细胞制造技术的迭代之路远未停止。成熟的成体细胞通常难以在体外扩增，但如果我们能够将其“返程”为具备快速增殖能力的祖细胞，亦即逆转发育时钟，便有望开启功能性细胞规模化制造的新路径。

未来，在生产线上，用自动化的方式，更加简洁、经济、高效的“制造”出细胞，是否能成为生物制造领域下一个关键转折点?我们期待看到，细胞制造技术的原始创新突破，最终能走向规模化的生产，成为更多患者的生命选择。

用计算机“造”细胞

现场直击：用超算为蛋白质拍“电影”

走进位于上海市静安区的思朗科技，四台“天穹”科学计算机日夜运转，正为全球数百位科学家提供更为精准的“眼睛”。

曾几何时，即便是借助世界上最先进的显微镜，人类也看不清蛋白质的结构。给一种蛋白质拍“照片”都何其艰难，更何况是要给蛋白质拍“电影”，或者说清晰地看清楚一颗细胞的蛋白质“组合”了，更是难于登天。

“天穹”科学计算机可以为蛋白质“拍电影”。(受访者供图)

脱胎于中国科学院自动化所的“天穹”科学计算机，采用的是自主创新、可重构的全新架构——MaPU架构。这一万亿次代数运算微处理器，在科学计算领域展现出惊人的“算力”。

借助它，人们如此清晰地看到蛋白质的运动轨迹，看到药物是如何在蛋白质的结构中找到“口袋”，有力结合并钻入其中，向疾病发起“进攻”。依赖它，在国内，第一次实现了50微秒级完整新冠病毒动态构象。针对热门的自身免疫性疾病激酶靶点，凭借它的算力，全球首次通过计算发现JAK2蛋白全新变构位点。

自2022年10月“天穹”正式工作以来，已服务国内200余位科研专家及多家创新药企，在国际顶级期刊发表论文14篇，推动三款创新药物进入临床前研发阶段。

专家解密：中国科学院自动化所原所长王东琳

全球来看，有一台生物计算专用机一直是生命科学领域的顶尖科研仪器，那就是美国的“安腾”(ANTON)。依托这一仪器，已在《自然》《科学》《细胞》等国际顶刊发表论文四十余篇，两次获得戈登贝尔奖，孵化两家制药上市公司。

依赖安腾强大的计算能力，一家名为Relay的创新企业，将结果用于胆管癌靶向新药的设计与优化，显著缩短研发周期 ——从临床前研究到 Ⅱ 期临床试验完成仅耗时18个月，一举跨越了“十年时间、十亿美元”的新药“天堑”。

通过ANTON生物计算专用机的二十年布局，还能不断累积蛋白质动态数据资料库，为人工智能赋能生物医药提供了丰富的基础语料。

如今，对标“ANTON”，“天穹”科学计算机历时十余年研制，其内核、芯片、高速板卡、整机系统、工业软件均自主研发，实现了全链条自主可控。

“天穹”科学计算机可喻为“数字显微镜”，在传统物理仪器面临技术瓶颈的背景下，突破性实现原子、亚原子、电子层面的动态研究，推动科学研究从“静态观测”向“动态模拟”的跨越。通过微观世界动态规律的精准模拟，助力科研人员探索物质本质规律，成为支撑基础科学突破和多领域科技进步的核心科学仪器。

蛋白质动态过程研究是生命科学领域的前沿核心。“结构决定功能”是蛋白质研究的基本理论，但受限于实验技术手段，当前研究仍集中于静态结构解析。以全球领先的蛋白质结构预测模型AlphaFold为例，仅能实现蛋白质静态三维结构的预测。“天穹”科学计算机，为系统性开展蛋白质动态过程研究提供了关键工具。

人源蛋白共计2万多个，其中有3000个左右的成药潜在靶点，绝大部分是不可成药靶点，目前美国食药监局(FDA)批准的小分子靶标有500多个，药物研发已基本覆盖绝大多数的可成药靶点。当业内人士感叹医药企业“卖青苗”、很可惜时，我们能否另辟蹊径，去寻找更多的“青苗”，找到哪怕一个中国发现的原创靶点?

答案是肯定的。基于“天穹”在生物数据上的独特优势，由多家国内顶尖科研机构，已经联合发起“人源蛋白动态组学计划”，致力于构建全球首个系统性的蛋白动态数据库。

通过计算，我们可以看到更多蛋白质的动态过程，寻找新靶点、新机制，推动全新的药物研发，变“不可成药”为“可成药”。通过人工智能和计算生物学技术构建的虚拟细胞模型，用于模拟和预测真实细胞的行为与动态过程。

再向前延伸，“天穹”能否成为一个生物领域科学数据的“制造工厂”，源源不断当人工智能的“老师”和“眼睛”。甚至有一天，我们最终能用计算的方式，看清“细胞”?我们相信有一天，人类对蛋白质的研究，将进入真正的“电影时代”。（文：周琳、董雪）