“全球变化及应对”重点专项2020年度项目申报指南
“全球变化及应对”重点专项2020年度项目申报指南
全球变化是指由自然和人文因素引起的、地表环境及地球系 统功能全球尺度的变化。全球变化已经并将持续影响着人类的生 存和发展，成为当今世界各国和社会各界关注的重大政治、经济 和外交问题。妥善应对全球变化，离不开科学研究的支撑。为大 幅度提升我国全球变化研究领域观测、分析、模拟能力，取得国 际学术界公认的重大成果，为国家参与全球气候治理及国际气候 谈判提供科学支撑，按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要
（2006—2020 年）》（国发〔2005〕44 号）和《国家应对气候变化规划（2014—2020 年）》（发改气候〔2014〕2347 号）部署，根据国务院《关于深化中央财政科技计划（专项、基金等）管理改革的方案》（国发〔2014〕64 号），科技部、教育部、中科院、气象局、海洋局、原环保部等部门组织专家编制了“全球变化及应对” 重点专项实施方案。
“全球变化及应对”重点专项的总体目标是：发挥优势，突 出重点，整合资源，在全球变化领域若干关键科学问题上取得一 批原创性的成果，增强多学科交叉研究能力，提升我国全球变化 研究的竞争力和国际地位，为维护国家权益、实现可持续发展提供科学支撑。重点关注以下关键科学和技术问题：全球变化关键 过程、机制和趋势的精确刻画和模拟，全球变化影响、风险、减 缓和适应，数据产品及大数据集成分析技术体系研发，具有自主 知识产权的地球系统模式研制，国家、区域应对全球变化和实现 可持续发展的途径。
专项实施方案部署了5 个方面的研究任务：1）全球变化综合观测、数据同化与大数据平台建设及应用；2）全球变化事实、关键过程和动力学机制研究；3）地球系统模式研发、预测和预估；4）全球变化影响与风险评估；5）减缓和适应全球变化与可持续转型研究。围绕以上5 个方向的研究任务，2016—2019 年专项共立项支持了74 个项目。根据专项实施方案年度计划，2020 年专项拟在全球变化综合观测、数据同化与大数据平台建设及应用；全球变化 事实、关键过程和动力学机制研究；地球系统模式研发、预测和 预估；全球变化影响与风险评估；减缓与适应全球变化与可持续 转型研究等5 个领域实现专项实施方案的全覆盖基础上，面向国家需求和国际前沿，拟支持15 个方向。国拨总经费1.3919 亿元。专项鼓励申报单位根据指南方向，面向解决重大科学问题和突破关键技术进行一体化设计，或围绕一个重大科学问题或重要 应用目标，从基础研究到应用研究进行全链条设计。专项鼓励依 托国家重点实验室等重要科研基地组织项目申报。项目应整体申 报，须覆盖相应指南方向的全部考核指标。
专项执行期一般为5 年。一般项目下设课题数原则上不超过4个，每个项目参与单位数控制在6 个以内。本专项不设青年科学家项目。
01
全球变化综合观测、数据同化与大数据平台建设及应用
1.1 全球温室气体天空地立体化观测与反演
研究内容：研发重点区域和城市高排放、高污染区公里级高密度组网连续观测技术，开发重点区域典型季节强化观测大气CO2、CH4 高精度立体化综合监测方法，研发融合多源观测数据的全球—重点区域—城市群的多层嵌套模拟和同化技术，应用中国 和全球碳卫星产品和地面多源观测数据，生产温室气体和碳通量 产品。
考核指标：研发出全球温室气体（CO2、CH4 等）天空地立体化观测体系和数据同化方法。研发针对重点区域和城市公里级高密度组网观测技术，观测网的空间分辨率不低于2km×2km，CO2 精度达到5ppm，基准站等高精度仪器的CO2 观测精度达到0.2ppm，CH4 精度达到1ppb。研发全球—区域—城市群多尺度温室气体嵌套模拟同化技术，提供拥有自主知识产权的全球和重点城市群多尺度、高时空分辨率温室气体产品（全球空间分辨率不低于5°，中国空间分辨率不低于0.1°，城市空间分辨率不低于1km，时间分辨率为天，时间长度至少两年）。以上产品按照《科学数据管理办法》和科技部的相关规定进行数据汇交、开放共享。
1.2 典型海区碳指纹与碳足迹标识体系
研究内容：结合中国典型海区实际，研制海洋生态系统碳指 纹、碳足迹指标体系、指标标准体系与评价规程，研制海洋碳汇 超高分辨率分子碳指纹标识体系，研制海洋生态系统微型生物代 表类群碳指纹标识体系，研究基于碳指纹和碳足迹的中国典型海 区碳汇发展模式和途径。
考核指标：建立1 套海洋碳指纹背景数据集和我国典型海域的碳足迹数据集，其中碳指纹分子不少于20 万个；建立1 套中国典型海区碳汇表征、计算和核查技术方案和操作规程，其中单样品有效分子数目不少于3000 个；研发2~3 项快速稳定和超高分辨率的分子碳指纹技术体系，并制定技术规程；研发2~3 套海洋微型生物基因碳指纹图谱技术，并形成市场化产品，其中每套产品不少于2000 个碳基因家族、不少于50000 个碳基因序列；提出中国典型海洋生态系统碳汇发展模式与碳标识体系。以上产品按照《科学数据管理办法》和科技部的相关规定进行数据汇交、开放共享。
1.3 山地生态系统全球变化关键参数立体观测与产品研制
研究内容：构建典型山地生态系统立体观测实验体系，开展 山地生态系统全球变化关键参数综合观测研究，研发适用于山地 生态系统的全球变化参数反演模型，研制山地生态系统全球变化 关键参数数据集。
考核指标：建成适用于山地生态系统的立体观测技术体系1套，实现至少10 个全球变化关键参量（如温度、辐射、叶面积指数、叶绿素浓度等生态系统基本参数以及碳、水、热通量等功能参数）的综合观测。研制出典型山地生态系统高分辨率全球变化关键参数产品（1~3 个典型区域，每个区域产品类型个数大于10，时间分辨率优于1 月，空间分辨率1~50 米，覆盖范围大于10 平方公里，时间跨度大于3 年）。提交1 套自有知识产权的全球山地生态系统全球变化关键参数产品（产品类型大于5，时间分辨率1 月，空间分辨率优于1 公里，全球覆盖，时间跨度大于20 年）。方法、模型和数据产品按照《科学数据管理办法》和科技部的相关规定进行数据汇交、开放共享。
02
全球变化事实、关键过程和动力学机制研究
2.1 全球变化背景下西太平洋环流与ENSO 变异及气候预测研究
研究内容：研究热带西太平洋表层和次表层海洋环流的多尺 度变异及其与印度洋、印尼海相互作用过程，探究西太平洋海洋 环流和多尺度海气过程与ENSO 变异和可预报性的联系，评估西太平洋与周边海域相互作用过程对ENSO 过程的影响，研究西太平洋海洋环流和海气系统中制约ENSO 预测技巧的关键过程并开展多模式集合模拟和预测。
考核指标：建立我国西太平洋海洋环流变化的监测系统和技术体系，形成自主的西太平洋海洋环流数据资料集（考察资料，潜标、浮标、卫星资料等），揭示西太平洋表层和次表层环流的多尺度变异及其通过印尼贯穿流与印度洋的相互作用过程与机制， 定量评估西太平洋环流和海气过程的年际—年代际变化特征及其 与ENSO 变异和可预报性的联系并揭示其动力机制，阐明西太平洋环流区与周边海域相互作用过程对ENSO 及其年代际变异预测不确定性的影响。研究结果、模型、算法和数据按照《科学数据管理办法》和科技部的相关规定进行数据汇交、开放共享。
2.2 影响全球季风区气候变化预估不确定性的关键因子和物理机制
研究内容：采用国际气候学界公认的以及我国自主研发的气 候系统模式开展超级集合预估试验，研究不同集合方式在提高全 球季风预估可靠性方面的有效性，研究全球季风预估的不确定性 及影响因素，捕捉人类活动影响的信号萌芽期，研发有效约束季 风预估的新方法。
考核指标：集合方式涵盖多模式集合、扰动初值的超级集合、多参数扰动集合（Perturbed-parameter ensemble, PPE）三种；扰动初值的超级集合预估试验成员数不低于100 组，PPE 试验需以提高东亚夏季风模拟性能为目标至少扰动20 个参数，两组试验均需采用国际气候学界公认的以及我国自主研发的气候系统模式。研究结果、算法和数据按照《科学数据管理办法》和科技部的相关规定进行数据汇交、开放共享。
2.3 亚洲季风格局变化对碳循环的影响研究
研究内容：开展亚洲季风环境格局演变自然过程和早期人类活动对陆地生态系统碳循环影响的定量化研究，重建并定量评估新生代以来典型时段高原/山地隆升深部碳释放规模、地表风化作用碳消耗量和陆地生态系统碳库效应，探究地球深部和地表过程对全球碳循环的影响及其气候环境变化效应。
考核指标：揭示新生代亚洲季风环境格局演变对陆地生态系统碳循环的影响及其耦合机理，定量评估典型时段青藏高原及周边区域深部过程碳释放规模、地表化学风化碳消耗量，评价早期人类活 动对全新世温室气体浓度变化的贡献，阐明重大环境格局演变情形 下深部和地表过程对全球碳循环和气候环境变化的影响。研究结果、数据和参数按照《科学数据管理办法》和科技部的相关规定进行数据汇交、开放共享。
03
地球系统模式研发、预测和预估
3.1 全球高精度大气化学模式研发及大气污染控制
研究内容：研制兼容典型高性能计算平台的新一代高精度套 网格全球大气化学模式，发展大气化学动力学新算法，提高全球 模式对关键痕量成分模拟准确度，研发大气化学多源数据资料同 化技术，建立全球高时空分辨率大气痕量成分数据集，研发全球 和区域大气污染溯源和追踪技术，研究能源结构、产业结构和大 气污染相互影响的机制，提出协同控制策略。
考核指标：新一代全球高精度套网格大气化学模式需适用于地球系统模式，兼容典型高性能计算平台并支持新一代异构加速，对关键痕量成分（含碳化合物、含硫化合物、含氮化合物和臭氧等）模拟准确度达到国际主流模式水平；化学动力学新算法需提升计算效率至少30%；关键痕量成分高精度全球再分析数据集时间跨度5 年，时间分辨率为天，水平分辨率10 km；大气污染溯源和追踪技术可量化全球主要地区痕量成分收支和来源，协同控制策略覆盖全球关键区域。研究结果、数据和参数按照《科学数据管理办法》和科技部的相关规定进行数据汇交、开放共享。
3.2 发展通用的地球系统模式高效并行计算框架
研究内容：研究地球系统模式发展与先进计算技术的解耦方法，研制面向E 级计算的模式高效计算框架，研究简洁高效的自动并行算子方法和面向多种先进计算平台的模式代码自动生成、运行时编译和算子融合技术，综合研究解决模式开发难、移植难、维护难、并行效率低问题。
考核指标：通用计算框架支持包括国产E 级计算机在内的3 套以上的计算平台；能够有效屏蔽超级计算机及模式编程的复杂并行技术细节，模式可在3 套以上平台间无缝迁移；提供简洁的上层算子使改进模式代码规模可控制在原始代码规模的30%以内，同时支持底层模式并行代码的自动生成，基于通用计算框架 开发的高分辨率模式在国产高性能计算机百万核规模运行时并行 效率可达到40%以上。研究并形成具有自主知识产权、行业共享的软件成果。
3.3 融合大数据和人工智能技术创新模式发展方法研究
研究内容：基于人工智能技术研究全球变化大数据分析方法，挖掘复杂地球系统过程与现象之间的时空相关性，研究地球系统模式中复杂物理参数化过程的深度神经网络替代方案，研究深度神经网络数值预测模型，发展人工智能辅助模式设计和订正模式结果的新方法。
考核指标：能够挖掘出对典型全球变化现象具有显著影响的时空特征信息；提供3 种以上利用深度神经网络进行模式物理参数化方案替代的成功案例；实现基于深度神经网络的多要素预测 和典型气候现象的季节—年际预测系统原型，与传统数值预测方 法相比，提升预测准确率或相关系数技巧15%以上。研究并形成具有自主知识产权的行业共享应用方法、数据和系统。
04
全球变化影响与风险评估
4.1 人工森林生态系统对全球变化适应机制
研究内容：以典型人工林生态系统为对象，研究全球变化对 人工林生态系统结构、功能和系统稳定性的影响过程，分析人工 林生态系统对全球变化的适应机制，综合评估人工林生态系统结 构与功能的稳定性/脆弱性，探究全球变化背景下人工林生态系统质量和稳定性提升对策。
考核指标：阐明全球变化（温升）对不同年龄人工林生态系统树种组成结构、垂直结构和系统稳定性的影响过程和机制，明确人工林生态系统生产功能（木材、生物量）和生态功能（固碳、水源涵养/水土保持、防风固沙、灌草/土壤微生物多样性等）对全球变化的响应机制；确定人工林生态系统对全球变化适应的生理生态机制、养分循环的微生物机制等；创建人工林生态系统脆弱性综合评价体系，评估典型人工林生态系统结构与功能的稳定性/ 脆弱性（空间分辨率：亚米~30 m），提出应对全球变化的人工林生态系统质量和稳定性提升策略。研究结果、数据按照《科学数据管理办法》和科技部的相关规定进行数据汇交、开放共享，适应对策须被国家有关部门采纳。
4.2 区域多尺度气候极端事件风险评估与制图
研究内容：研究气候极端事件对自然生态—社会经济耦合系 统的影响机理，构建气候事件危险性、承灾体脆弱性、资源环境 与社会经济风险评估方法，模拟和预估不同共享社会经济路径下 我国气候极端事件风险多尺度时空特征，研究多尺度气候极端事 件灾害危险性、脆弱性和风险图集的表达方式和制图方法，研发 防范气候极端事件风险的决策支持系统技术。
考核指标：建成1 套面向气候极端事件的承险体脆弱性和风险评估方法和模型，提交1 套我国未来气候极端事件风险数据集（2020 年—2100 年，空间分辨率为 0.10°，时间分辨率每隔 10 年），揭示共享社会经济路径下我国气候极端事件风险多尺度特征并形成系列图件（包括五个共享社会经济路径SSP1~SSP5，图件为空间矢量图与0.10°栅格图，空间尺度为积水区—流域—区域—省市—全国），研制出 1 套气候极端事件风险防范决策支持系统。研究结果、数据按照《科学数据管理办法》和科技部的相关规定进行数据汇交、开放共享，决策系统能被应急管理部门采用。
4.3 全球变化下海洋脱氧过程与碳汇效应研究
研究内容：研究气候变化和人类活动双重压力下代表性海区 微生物脱氧过程与调控机制，研究脱氧进程中微型生物类群变动 规律及其与环境条件的相互作用，研究不同程度脱氧环境中微型 生物碳汇特征及其环境效应，研究缺氧环境下增加碳汇的理论与方法。
考核指标：阐明气候变化和人类活动胁迫对微生物脱氧的不同机制，获取2 个我国代表性海区微生物脱氧动力学参数和呼吸作用参数；揭示脱氧对生物多样性（需鉴定到种）、微型生物类群代谢活性及方式的影响，阐释微型生物代谢与海洋底层局部低氧 形成的关系，建立脱氧环境微型生物宏转录组及宏蛋白数据库， 不少于1000000 条基因/蛋白信息；建立海洋惰性手性分子和含硫分子分离及鉴定的技术方法体系，揭示脱氧海域代表性组分的手 性、官能团等特征及生物成因，建立脱氧海域惰性有机碳化学分 子数据库；阐释脱氧环境微型生物对碳源和碳汇调节的关键过程 和主要机制，分离/培养/鉴定代表性储碳微型生物200 株以上；提出1 套脱氧环境下可实施的增汇技术方案。
研究结果、数据按照《科学数据管理办法》和科技部的相关规定进行数据汇交、开放共享。
4.4 荒漠化对气候变化的响应与反馈及其生态效应
研究内容：研究荒漠化对极端气候事件的响应机理，探讨土 壤风蚀和沙尘释放对气候变化的反馈机制，分析全球变化背景下 荒漠化土地覆被、土地生产力、土壤碳的动态过程及变化规律， 预估未来多情景气候变化模式下荒漠化发展趋势及其风险。
考核指标：阐明近50 年极端气候作用下荒漠化过程—格局的变化特征，定量辨识沙尘过程对气候变化的贡献率，综合评估荒漠化及其治理工程的生态效应，预测我国北方未来30~50 年荒漠化趋势及其风险，提出应对荒漠化的风险防控对策。
研究结果、数据按照《科学数据管理办法》和科技部的相关规定进行数据汇交、开放共享。
4.5 北极陆地环境变化及其效应
研究内容：分析北极陆地环境（冰川、积雪、多年冻土）和植被的时空变化特征，模拟环境变化对地—气—能—水交换的影 响及其对气候的反馈作用，研究环境污染物的释放和输移转化规律，评估北极陆地环境变化对人类社会致利致害效应。
考核指标：明确近几十年来（主要是1980 年以来）北极陆地环境因子和植被变化的时空变化，阐明北极地区地—气—能—水 交换的过程及其气候反馈效应，揭示北极陆地环境中重要污染物 的释放、迁移和转化规律及其生态效应，定量评估北极陆地环境 变化的致利和致害效应。
研究结果、数据按照《科学数据管理办法》和科技部的相关规定进行数据汇交、开放共享。
05
减缓与适应全球变化与可持续转型研究
5.1 应对全球变化的可持续性转型模式研究
研究内容：分析不同行业和不同类型地区全球变化的可持续 性转型的时空演变，提出多行业和区域间协同有序适应气候变化 的理论和综合模式，预估适应全球变化的可持续转型的多维情景 和路径，提出经济平稳增长的国家经济学策略及减排路径选择。
考核指标：揭示全球变化与可持续转型的交互耦合机理；研发出1 套适应全球变化的可持续性评估指标体系与可持续性评估指数；绘制出我国应对全球变化的可持续转型路线图和区域图景；提出至少3 套重点行业和3 个重点地区应对全球变化的转型模式和生产模式。
研究结果、数据按照《科学数据管理办法》和科技部的相关规定进行数据汇交、开放共享。
“合成生物学”重点专项2020年度项目申报指南
合成生物学以工程化设计理念，对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成。“合成生物学”重点专项总体目标是针对人工合成生物创建的重大科学问题，围绕物质转化、生态环境保护、医疗水平提高、农业增产等重大需求，突破合成生物学的基本科学问题，构建几个实用性的重大人工生物体系，创新合成生物前沿技术，为促进生物产业创新发展与经济绿色增长等做出重大科技支撑。
2020 年本专项将围绕基因组人工合成与高版本底盘细胞、人工元器件与基因线路、人工细胞合成代谢与复杂生物系统、使能技术体系与生物安全评估等4 个任务部署项目。
根据专项实施方案和“十二五”期间有关部署，2020 年优先支持21 个研究方向，其中包括4 个部市联动任务。同一指南方向下，原则上只支持1 项，仅在申报项目评审结果相近，技术路线明显不同，可同时支持2 项，并建立动态调整机制，根据中期评估结果，再择优继续支持。国拨经费总概算3.8 亿元（其中，拟支持青年科学家项目不超过2 个，国拨总经费不超过1000 万元）。申报单位针对重要支持方向，面向解决重大科学问题和突破关键技术进行一体化设计，组织申报项目。鼓励围绕一个重大科学问题或重要应用目标，从基础研究到应用研究全链条组织项目。鼓励依托国家重点实验室等重要科研基地组织项目。
项目执行期一般为5 年。为保证研究队伍有效合作、提高效率，项目下设课题数原则上不超过4 个，每个项目所含单位数原则上不超过6 个。青年科学家项目可参考重要支持方向（标*的方向）组织申报，但不受研究内容和考核指标限制。部市联动任务 申报分两类：一类是由深圳市科技创新委员会推荐，深圳市有关单位作为项目牵头单位进行申报（标#的方向）；另一类可由专项所有推荐渠道组织推荐，申报项目中至少有一个课题由深圳市有关单位作为课题牵头单位。
本专项所有涉及人体被试和人类遗传资源的科学研究，须尊重生命伦理准则，遵守《涉及人的生物医学研究伦理审查办法》《中华人民共和国人类遗传资源管理条例》等国家相关规定，严 格遵循技术标准和伦理规范。涉及实验动物和动物实验，要遵守 国家实验动物管理的法律、法规、技术标准及有关规定，使用合 格实验动物，在合格设施内进行动物实验，保证实验过程合法， 实验结果真实、有效，并通过实验动物福利和伦理审查。
01
人工基因组合成与高版本底盘细胞构建
1.1 合成基因信息存储*
研究内容：针对遗传物质DNA 具有信息密度大、稳定性高的优点，研究数字化信息与基因序列的编码与读取方法，揭示基因组四进制信息的编解码基本原理；研究基因信息的容错纠错分析方法，DNA 信息的加密原则，开发DNA 信息体内存储与编辑技术；发掘多位点、高效率、高精准的编辑工具酶和DNA 低成本、高精准生物合成的工具酶，降低信息存储成本。
考核指标：开发1~2 套数字化信息基因存储技术的编码方法，完成汉字、图片和短视频等信息的存储与可靠读取，支持TB 级以上的基因数据高效纠错；实现在大肠杆菌、酿酒酵母等模式微生物中的信息存储与编辑，获得4 个以上包含外源存储信息的工程菌株，每个菌株包含的外源DNA 数量不小于80 Kbp；获得1~2 个书写加密信息的工程菌株，完成不同环境下的多代存储鲁棒性验证。
1.2 真核生物人工染色体的设计建造与功能研究
研究内容：针对酿酒酵母、裂殖酵母和多细胞模式生物秀丽隐杆线虫，建立和发展新型人工染色体的设计、构建与优化方法；利用人工染色体研究真核生物染色质结构、功能及遗传稳定的关键元件及相关分子机制；针对重要生物学过程，利用人工染色体技术，鉴定关键基因元件，设计、合成或重构相关模块或网络，实现对所研究的生物学过程的可控动态观测与调控。
考核指标：发展2~3 种真核人工染色体的设计、构建与优化新方法，形成平台体系。创建新一代的人工酵母染色体1~2 条，竞争性生长和抗逆能力超过天然酵母；创建秀丽隐杆线虫人工染 色体；利用上述两类人工染色体，揭示与酵母和秀丽隐杆线虫染色体复制、遗传稳定、重组相关的关键元件与分子机制，并与其他真核生物染色体作比较研究；选取2~3种多细胞动物特有的重要生物学过程（如个体发育、衰老、神经退行性变、细胞凋亡、或营养感知等），构建 5~10 个由其关键基因元件组成的线虫人工染色体并在体研究其功能。
02
人工元器件与基因回路
2.1 基于合成生物学的多功能模块耦合活疫苗研究
研究内容：针对严重影响公众健康的新发、多发病原体，以 功能为导向解析病原体和宿主相互作用的主效功能和基因组模块 等元件；基于人工智能等计算机辅助设计，进行模块间的功能优 化耦合，实现病原体的人工合成、高效生产，研制性能优化的模 块耦合活疫苗；研究病原体活疫苗防逃逸技术、生物安全降级评 价细胞和动物模型和递送机制；创新活疫苗人工合成、生产、评 价的理论和技术体系。
考核指标：掌握人工疫苗的模块化设计和生产原则，建立相应的创新理论与技术路径；靶向表达调控、核心代谢、免疫调节、免疫保护、通用性以及安全性等环节，鉴定获得不少于8 种新型主效功能和基因组模块元件；获得不少于5 种标准化、有效的免疫回路，构建相应模块耦合活疫苗；建立3~5 种基于基因表达分子开关等技术的防逃逸技术和生物安全降级评价创新模型，发展1~2 种新型疫苗递送系统；获得至少2~3 种模块耦合候选活疫苗，验证其免疫保护力和安全性，完成临床研究申报。
2.2 耐药病原菌诊疗的基因回路设计合成
研究内容：针对分枝杆菌等重要耐药胞内病原细菌及念珠菌等治疗药物缺乏的病原真菌的防控，开展病原菌致病和耐药调控网络机制模拟及诊疗手段相关基因回路设计的研究；挖掘和设计特异性拮抗临床靶标病原菌的基因元器件，研究用于耐药病原菌消杀的合成基因回路设计原理；研究开发基于人工设计的智能型基因回路或生物元件的病原菌防控、诊疗新手段、新技术或新产品。
考核指标：设计合成5~10 种应用基因回路或基因元件构建的精准消杀或检测耐药胞内病原细菌或病原真菌的手段，包括1~2 种应用于临床前期的精准消杀胞内耐药结核菌的基因回路，实现 动物体内病原菌检出率呈数量级下降或临床样本的检出速度、灵 敏度或准确率的显著改善。构建2~3 种基于合成生物学的智能药物筛选体系，获得5~10 种针对胞内病原细菌或真菌的毒力、耐药或持留的先导化合物和特异抗菌肽。
2.3 高效生物产氢体系的设计组装
研究内容：针对生物质产氢得率和速度问题，研究高产氢得 率、高反应速度的人工合成微生物组构建方法，理性设计高产氢 人工代谢途径；研究菌—酶复合系、多酶复合系关键元件的匹配 机理，研究生物产氢过程定向代谢调控策略，研究与模拟高产氢 代谢路径的热力学与动力学可行性；设计与组装新型生物产氢反 应系统、耦合系统及非细胞产氢生物系统，突破快速产氢与氢气 释放的技术瓶颈，通过规模化示范提出技术标准。
考核指标：构建高效生物产氢装置及耦合系统，耦合系统产氢得率高于8mol/mol 葡萄糖，最高产氢速度高于5g/L/h；实现1 吨的生物产氢中试示范，该示范系统的日均产氢能力不低于0.5g/L/d，产氢性能在常温下可保持30 天以上；构建百吨罐产氢线，年产氢气1 亿升以上，推动生物产氢取得重大技术创新。
2.4 有毒金属感知修复的智能生物体系
研究内容：针对水体和土壤环境中汞、镉等典型有毒金属污 染物治理难题，构建具有智能识别和修复脱毒能力的藻类和原生 动物；鉴定和设计具有汞、镉特异性识别、超强结合和转化能力 的分子元件和代谢回路，优化模块化元件的作用效率和特异性； 构建具有汞、镉特异识别、超富集与定向脱毒转化能力的合成生 物体系，研究该体系在有毒金属污染物原位治理中的适用性和修 复脱毒能力。
考核指标：针对汞、镉等有毒金属，设计构建识别、富集和脱毒转化元件500 个以上；构建高效智能感知和转化的人工修复回路不少于10 条，增加重金属污染修复效率40%以上；构建包括蓝藻、衣藻、四膜虫、肾形虫等在内的智能修复细胞体系不少于5个；构建多生物复合的有毒金属修复体系不少于3 套；形成有毒金属修复脱毒新技术不少于3 套，其中完成中试不少于2 项，建立重金属污染修复示范基地。
2.5 高通量新型污染物生物筛选系统构建与环境监测应用
研究内容：针对环境中不断涌现的品种众多的新型化学污染物如双酚A 替代物、四溴双酚A 及其衍生物、合成酚类抗氧化剂等，设计合成高效灵敏的分子识别元件，组装污染物生物响应元器件与模块，应用EDA 分析技术，高通量筛查不同环境介质中主要神经毒性贡献污染物组分。基于人胚胎干细胞体外培养体系， 应用计算毒理学技术，设计并构建多种分化模型模拟人体神经系 统发育过程，明晰生物元器件对新型污染物的信号识别、传递与 响应等基因网络调控机制，挖掘污染物神经毒性作用的敏感期与 早期效应的生物标志物，研究不同环境介质中新型污染物的健康 风险。
考核指标：设计合成2~3 种高效灵敏的新型污染物生物传感监测与智能降解体系，组装1~2 套污染物生物响应元器件与模块，筛选不同环境介质中30~40 种主要神经毒性贡献污染物组分，构建3~5 种可用于新型污染物神经毒性评价的人胚胎干细胞体外培养体系与分化模型，挖掘2~3 种污染物早期效应的生物标志物， 并能应用于实际环境样品新型化学污染物的生物监测与健康风险评估。
2.6 植物高光效回路的设计与系统优化
研究内容：研究适合高等植物的新型光能吸收系统，拓宽吸收范围和提高光能吸收效率，进一步明晰高等植物环式光合电子传递机理及其分子调控机制，构建新的高效光合膜电子传递线路，优化光合膜能量传递途径；深入研究光保护机制，优化光合膜复合物的维持与修复能力，实现在逆境条件下光合功能高效运行；解析控制C4 植物叶片花环结构关键特征的遗传调控网络，解析C4 光合关键蛋白实现在叶肉细胞及维管束鞘细胞中细胞特异性表达的遗传调控机制，阐明C3 光合向C4 光合进化的关键代谢步骤及其遗传调控，设计、改造和重组光合碳同化关键酶优化和设计新的光合碳代谢回路，提升光合碳同化效率；优化和设计C3 植物结构底盘、人工合成高光效启动子元件和最适光合基因亚型模块 并在作物中开展重要分子模块特异性重组和适配优化，有效提高 光合效率。
考核指标：获得3~5 种光合作用光能吸收及有效利用元器件以及分子模块，并阐释其作用机理；构建优化和适配的人工光合高效利用回路3~5 个，并在底盘植物中实现组装和系统优化，示范性应用2~3 种，明显提高植物光能吸收和利用，在现有基础上光能吸收能力提高10%，创建具有高光效特征的光呼吸支路、光保护模块；获得具有C4 结构或功能的代谢调控模型，创建具有高光效特征的光呼吸支路、光保护模块；发展C4 结构代谢调控模型，提高植物生物量20%~30%。
03
特定功能的合成生物系统
3.1 高值化合物合成的生物途径设计构建及优化
研究内容：针对来源稀有、合成繁杂的医药中间体、精细化学品和天然产物等高值化学品，研究重要催化酶蛋白及其家族进化规律及催化机制，指导构建非天然催化和调控元件库；研究多物种来源基因和多酶体系的组装与适配机制，建立“计量、顺序、空间”可控的、高效适配的高值化合物智能设计和合成的人工生 物体系，调节物质流和能量流分配，结合人工细胞膜、人工细胞 器、水凝胶等材料，改造、优化人工生物体系合成高值化合物的 能力和效率。
考核指标：阐释人工合成体系适配性的分子机制，获得具有高催化效率新蛋白质元件50 个以上，发展3 种以上多酶分子纳米尺度自组装新策略，开发出10 种以上高值化学品的新合成技术，实现激素、维生素、多杀菌素、非天然氨基酸、功能糖、天然产物、多元醇和高值食品添加剂等高值化学品高效合成，2~3 种实现万吨级的应用示范。
3.2 多源复合途径天然产物合成的人工细胞创建
研究内容：针对单一生物不能合成的天然产物，研究其合成的生物与化学机理；开展功能基因组学研究，深度发掘其代谢“暗物质”，建立非单一生物来源天然产物的合成代谢数据库；研究非单一生物来源的天然产物代谢接力合成途径，设计、重构多源复 合途径天然产物的异源组装模块，研究非天然模块、途径在微生 物底盘细胞中的适配机制；创建通用型多源复合途径天然产物合 成的底盘细胞，实现未知天然产物的发现及开发应用。
考核指标：阐明非单一生物来源复杂天然产物的人工生物合成机理，从分离鉴定的内生、共生和互生微生物新种中挖掘不少于100 个新化合物，解析10 种以上重要生理活性天然产物的生物合成途径，创建2~3 种通用型复杂天然产物合成的底盘细胞，实现其在微生物细胞中的全生物合成，突破单一物种不能合成的瓶颈。
3.3 植物天然产物的途径创建
研究内容：研究重要植物天然产物生物合成途径的分子基础，发现未知关键基因与功能模块，解析天然产物生物合成的完整途径；进行合成途径重建，实现植物天然产物的微生物异源生物合成，并开展结构衍生化研究，提升功能活性；进行微生物合成植物天然产物的功效和安全评价。
考核指标：挖掘紫杉醇、雷公藤内酯等10 种以上重要植物天然产物生物合成的完整途径；构建出3~5 种以上高效生产植物天然产物的微生物细胞工厂，吨级发酵产量达5g/L 以上。
3.4 特殊酵母底盘细胞的染色体工程
研究内容：针对克鲁维酵母、毕赤酵母、汉逊酵母、耶氏酵 母等特殊酵母，开展染色体工程研究；设计合成人工染色体，重 构特殊酵母底盘细胞的代谢与调控网络，在染色体水平建立高效 基因编辑系统；设计合成通用接口和人工调控元件，实现基因功 能模块的即插即用和基因表达的精密调控；构建可用于重大市场 价值的化学品、酶、疫苗等产品制备的高版本底盘细胞并开展规 模化工业应用研究。
考核指标：设计合成3~4 条特殊酵母人工染色体，实现蛋白分泌、氧化还原、能量代谢等途径在人工染色体上的整合、重构和调控；建立3 套以上单位点或多位点基因编辑系统，单位点编辑效率超过90%；在染色体上建立通用型升级接口5 套，实现各类功能模块的即插即用；构建基于人工染色体的特殊酵母高版本底盘细胞3 个以上，实现5 种以上外源蛋白的高效表达，表达水平达到12g/L 以上，实现功能糖、糖醇、油脂等2~3 种产品的规模化制备。
3.5 生物活体功能材料的构建及应用
研究内容：针对可持续性技术的发展需求，利用生命体自我 再生、自我修复和自适应等特点，开发具有细胞基因操纵功能的 生物构筑材料和智能活体材料；实现功能分子的胞内生产和多级 结构的自组装，产生形状和机械性能可调的生物构筑材料；开发 和利用人工基因元器件，时空调控特异功能分子或材料在细胞层 面的表达、修饰、分泌以及细胞内／外自组装，构建具有环境响 应或智能调控功能的生物活体功能材料。
考核指标：建立生物构筑材料和智能活体材料的设计原则；创建3~5 种不同细胞属性的活体材料细胞工厂；创建3 种以上可以铸造成型，可迅速加工并可3 D 打印的生物构筑材料；发展5~8 种具有新颖功能（传感、生物粘合、仿生矿化、抗污、仿生光子、疾病诊断和治疗等）的智能活体材料，实现活体材料在生物修复、生物医药和生物能源领域的应用推广。
04
使能技术体系与生物安全评估
4.1 数字细胞建模与人工模拟
研究内容：聚焦重要模式工业微生物，构建系统化基因突变 库和蛋白库，开发代谢组、相互作用组等多组学定量分析方法，进行动力学分析测试；研究细胞物质能量代谢与细胞生长繁殖协同的基本规律和调控机制，建立基础元件、代谢与反应途径、生长与繁殖途径、转录与表达调控、分子间相互作用等综合性标准化数据库；开发多算法、多层次、多目标的细胞模拟与设计工具，开发子模型间数据融合技术以及基于多层次实验数据实现全细胞模型的训练与校正技术；开发数字细胞驱动实验设计的技术平台，并提出细胞性能改造提高的假说并加以验证。
考核指标：获得1~2 个模式工业微生物的标准化生物大数据库；开发出基于大数据和动力学的2~3 套细胞数学模型方法与细胞设计CAD 工具，建成覆盖模式微生物细胞生命周期的全层次全功能数字细胞模型，形成集成化的人工元件、合成途径、基因回路与人工细胞的数字化模拟与全细胞计算设计的技术体系；在计算模拟基础上发现3~5 种生物规律，提高模式生物细胞生长速度、葡萄糖利用速度30%以上。
4.2 新蛋白质元件人工设计合成及应用
研究内容：针对自然蛋白质元件无法满足生物反应需求，结合深度学习等智能算法，研究蛋白质底物识别、催化活性、结构稳定性等分子机理，开发生物反应活性中心量化模型设计、立体选择性控制、催化动力学模拟等计算方法，发展蛋白质主链结构从头设计、全局化结构稳定改造技术；基于蛋白质序列立体构像空间规律和蛋白质结构预测，从头设计有机酸、化工醇、手性胺、天然产物等化合物的催化合成与通道运输等蛋白质新元件，创建适用于高立体选择性、高原子经济性、高效率的生物合成途径的新功能元件。
考核指标：建成1~2 套新蛋白质生物元件计算设计算法，从头设计3 类以上自然界不存在的全新稳定结构蛋白，构建10 种以上催化非天然反应的活性中心，实现有机酸、化工醇、手性胺、天然产物等10 种以上化合物生物合成的蛋白质功能元件全新设计。
4.3 正交化蛋白质元件的人工设计与构建*
研究内容：针对人工蛋白质元件干扰自然生物过程，开发正 交化新功能元件计算设计方法，发展人工设计与自然进化的正交 化的新功能元件，开发远距离进化的正交化功能元件；开展新功 能元件与人工生物体系的适配机制研究；开发正交化的信号转导 途径构建方法和正交化复合物可控组装技术，并进行功能元件的 应用测试研究，提高人工生物体系的物质转化与能量转换效率， 促进产业化应用。
考核指标：建成正交化蛋白质生物元件设计与构建方法1~2 种；构建10 条以上正交化的信号传递途径和10 种以上正交化的人工蛋白质复合物，实现物质转化或能量转换效率较原来提高50%以上。
4.4 合成生物学生物安全研究
研究内容：分析合成生物学研发及应用过程对生命体、非生 命体和生态环境造成功能损害的潜在因素。识别、评估合成生物 学研究开发中的误用和滥用风险。梳理国内外相关法律法规，针对合成生物学的风险特征和发展现状，提出符合我国国情的合成 生物学法律治理对策和生物安全监管机制。参与推进建立人工合 成生命研究和产业化过程中的各种国际准则与规范。
考核指标：建立一个合成生物学的生物安全风险评估框架;评估当前合成生物学研究和产业化过程的潜在风险，发布两至三期“合成生物学生物安全与安保风险评估报告”; 建立合成生物技术和产品安全评估方案，包括对科研操作、产业化过程的监管，提 出一套合成生物学研究开发安全管控方案；建立合成生物学生物 安全国际合作机制；建立世界性“基因合成生物安全性监管”管 理与操作规则。
05
部市联动项目
5.1 面向合成生物系统海量工程试错优化的人工智能算法研究与应用#
研究内容：针对传统数学模型难以有效设计复杂合成生物系统的问题，建立定量描述合成生物元件及其互作网络的标准，构建基于文献报道、公共数据库、实验结果动态更新的数据信息库；利用强化学习、迁移学习、元学习等人工智能方法，指导转录调控、酶催化、免疫信号传导等对象的计算机辅助设计与自动化实验挖掘和表征，实现小数据、稀疏监督下的“设计—构建—测试—学习”工程试错策略的闭环反馈；开发图卷积网络等深度模型， 研究基因型与表现型的定量关系，提高对合成生物系统模拟预测的准确度，建立根据高通量实验结果进行动态优化的人工智能算法体系。
考核指标：针对转录调控、酶催化、免疫信号传导等合成生物元件及其互作网络，建立1 套定量描述的标准及对应的数据信息库；建立2~3 种人工智能学习模型，用于指导海量工程试错优化的实验设计与闭环反馈；创建2~3 种基于自动化测序与多谱学表征的实验技术，高通量获取5~10 种合成生物元件的基因型—表现型的对应定量关系；开发2~3 种深度网络模型，实现3~5 种合成生物系统功能的高效预测与设计。
5.2 高效生物医学成像元件库的挖掘与应用研究#
研究内容：挖掘和鉴定生物合成超声和光声造影剂的生物体系，构建生物合成医学造影剂的生物元件库；研究造影剂生物合成的分子机理与调控机制，重构细胞或微生物合成造影剂的生物合成途径；设计、创建及优化合成造影剂的人工细胞或微生物系统，建立规模化、功能化生物合成医学造影剂的关键技术和平台，探索生物合成造影剂在生物医学上的应用。
考核指标：筛选、鉴定和表征不少于10 个合成超声或光声造影剂的生物体系，创建3~5 个造影剂的生物合成途径，明确5~10 个造影剂生物合成关键基因及其调控机制；完成5~10 个高效合成造影剂的人工细胞的重构设计；获得不少于5 个生物合成的造影剂或分子探针，实现生物合成造影剂在动物疾病模型中的应用。
5.3 微纳生物机器人的定向合成和诊疗应用#
研究内容：针对肿瘤等重大疾病的智能诊断和精准治疗，开展用于构建微纳机器人的智能识别和开关分子元件的定向合成技 术研究。设计、开发基于工程化病毒、细菌或细胞的新一代微纳 机器人组件用于在肿瘤复杂环境中的定量时空调控和精准药物递 送；采用多组学分析技术结合AI 智能分析技术，解析微纳机器人模块的复杂调控网络及分子作用机制；以模式动物和类器官为研 究模型，建立微纳生物机器人在恶性肿瘤精准诊疗应用过程中的 理论基础和机制研究。
考核指标：获得10~20 种基于糖/肽合成、点击化学反应、聚集诱导发光效应等智能识别和开关分子元件，建立5~10 种原位定向合成功能元件的活细胞工厂；获得5 种以上的基于工程化病毒、细菌或细胞的新一代微纳机器人组件；建立5~10 种微纳生物机器人的时空调控回路和分子作用机制；发明2~3 种基于微纳生物机器人模块的肿瘤精准诊疗新策略。
5.4 关键分子靶点核素标记探针的设计合成
研究内容：针对恶性消化系统肿瘤中重要的分子靶点，设计 并合成符合放射性药物质量要求的核素标记新型抗体探针；开展 核素标记抗体探针的理化性质及稳定性等的体外表征，并进行探 针在动物模型中的亲和性的定量和定性测试；开展核素标记探针 的临床实验，研究探针的靶向治疗疗效及耐药情况，为克服肿瘤 异质性及指导精准治疗提供重要技术平台。
考核指标：针对胃癌、食管鳞癌、肝癌和胰腺癌等设计合成5种以上核素标记抗体探针，完成理化性质鉴定和安全性评价；建立至少4 种恶性消化系统肿瘤PDX 模型，并在每种PDX 模型中开展相应核素标记抗体探针的临床前研究；完成至少3 核素标记抗体探针的临床试验。
来源：科技部
编辑：种 瑞
审核：李建荣