推动非洲学术界的合成生物学发展：制度障碍、能力缺口以及一项在线培训试验计划的影响

《Frontiers in Synthetic Biology》：Advancing synthetic biology in African academia: institutional barriers, capacity gaps, and the impact of a pilot online training program

　　摘要
合成生物学作为一个有前景的领域，具有解决农业、医疗保健和环境可持续性挑战的潜力。然而，针对非洲视角和潜在应用的研究却相对有限。特别是在非洲学术机构中，提高公众对合成生物学的理解和教学水平，可能在推动其在非洲的应用方面发挥关键作用。本研究评估了来自17个国家的140名学生、讲师和研究人员的合成生物学认知、看法和障碍。研究采用了分层目的性调查方法，收集了受访者的定量和定性数据。大多数参与者表示，他们首次接触到合成生物学是通过互联网搜索和参加在线合成生物学培训。健康创新领域最有可能从合成生物学的进步中受益，其次是农业、工业应用和环境可持续性。受访者关注的主要问题包括获得专业人才的机会、伦理和生物安全问题、生物安全以及环境风险和治理机制。阻碍合成生物学应用的主要因素是实验室基础设施不足，其次是机构支持薄弱、资金有限和培训机会不足。此外，还开展了一门在线合成生物学课程，参与者反馈称完成课程后对合成生物学的认知和理解有所提高。总体而言，我们的研究发现强调了加强学术课程、扩大负担得起培训平台的覆盖范围、投资实验室基础设施以及促进生物安全和监管框架建设的必要性，以支持非洲合成生物学研究的发展。

1 引言
合成生物学是一个跨学科领域，整合了生物学、工程原理和计算技术，用于设计新的生物系统或重新设计现有系统以服务于实际用途。在过去二十年中，该领域已发展成为涵盖精准医疗、气候适应性农业和生物制造等多个应用领域的学科（Cameron et al., 2014; Flores Bueso and Tangney, 2017）。全球对合成生物学的投资持续增加，尤其是在北美、欧洲和亚洲部分地区，这些地方的研究生态系统和相应的监管框架为其应用提供了支持（Clarke and Kitney, 2016; Mao et al., 2021）。然而，非洲大陆的参与度相对较低。非洲仍面临粮食安全、传染病和环境挑战等问题，而合成生物学可以为这些领域提供解决方案，例如气候适应性作物、疫苗开发和诊断技术（Wang et al., 2022; Yan et al., 2023）。然而，要实现这些机会，仅依靠技术是不够的，还需要具备技能的人力资源、基础设施和适当的监管框架。
学术机构通过推动研究、教育和政策参与，在技术发展中起着核心作用。然而，许多非洲大学和研究机构面临资金有限、实验室设备不足以及人员培训不足等限制（Igborgbor et al., 2024; Mudziwapasi et al., 2022）。高等教育体系的能力建设缺口可能直接限制合成生物学研究生态系统的扩展。此外，管理新兴技术的监管框架通常基于现有的转基因生物（GMOs）相关政策，如《卡塔赫纳生物安全议定书》。然而，合成生物学引入了一些技术和伦理问题，现有的监管结构可能无法完全解决这些问题（Mudziwapasi et al., 2022; Rhodes and Mandivenyi, 2020）。这些教育和监管方面的差距可能会阻碍非洲大陆合成生物学研究和创新的发展。
尽管已经有一些提高合成生物学认知和合作的举措，但对非洲学术界机构能力和利益相关者看法的评估仍然较少。了解学生、讲师和研究人员对合成生物学的看法，并识别其应用中的障碍，对于制定有针对性的能力建设和政策策略至关重要。基于这一理由，我们在17个非洲国家开展了多国调查，以评估与合成生物学相关的知识差距、看法和机构障碍。此外，我们还评估了一门在线合成生物学速成课程作为可扩展的教育干预措施，旨在提高学生和初级研究人员的合成生物学素养。研究结果为提高非洲学术界的合成生物学研究能力和完善相关监管框架提供了基于证据的见解。

2 材料与方法
本研究采用分层目的性在线调查方法，评估非洲学术界对合成生物学的认知、看法、障碍及能力建设情况。调查旨在捕捉讲师、学生和研究机构的广泛趋势和深入观点。整个调查过程耗时6周，通过电子邮件和社交媒体进行推广。

2.1 调查设计
调查工具基于现有的关于合成生物学认知的文献开发而成，并根据非洲实际情况进行了调整。调查分为三个部分：1）知识和看法；2）障碍；3）在线速成课程评估。第一和第二部分的问题针对非洲不同地区的大学讲师、学生和研究助理设计，第三部分则针对参加SynBio4ALL在线合成生物学速成课程的学生设计。在正式调查前，我们对小样本进行了预测试，以确保问题的清晰性和相关性。

2.2 参与者选择和抽样
抽样标准采用了分层目的性抽样方法，目标人群为非洲各大学的生命科学学生、学者和研究人员。在线调查链接通过电子邮件和社交媒体发送给目标参与者。在链接发布后的6周内，共有140名参与者完成了调查，其中一些参与者来自非洲的学术机构。

2.3 数据收集
调查开放了6周，以确保从非洲各地收集到数据。这种时间安排使得调查结果能够代表不同地区的观点。

2.4 数据分析
定量数据（封闭式问题）采用描述性统计方法分析（例如频率和百分比）。定性数据（开放式问题）通过归纳性主题分析方法处理，直接从原始文本中提取核心主题。在初步熟悉和逐行编码后，相似的编码被归纳为总体主题，并附上受访者的示例引用来提供背景信息。

2.5 伦理考量
参与调查是自愿的，在完成调查前，受访者被告知研究的目的。参与者还可以随时选择退出调查。为保护参与者隐私，数据在分析前进行了匿名处理，本报告中不会包含任何可识别信息。数据被安全存储，仅用于发表研究。

3 结果
3.1 参与者基本信息
共有140份有效反馈，其中大部分受访者年龄在18至34岁之间（占84%），主要来自大学生和讲师（图1A）。大多数反馈来自学生和其他专业人士（占94%），讲师占比仅为6%（图1B）。讲师参与度较低可能是因为我们的抽样重点在于发送邮件给学生而非讲师。此外，学生更活跃于互联网，这也是问卷传播的另一种方式。在职业领域方面，少数受访者选择了商业、工程和社会科学，但超过一半的受访者来自生命科学、健康和农业领域（图1C）。
图1：受访者的人口统计特征，（A）年龄分布，（B）职业，（C）职业领域。
大部分受访者来自东非地区（75%），其次是西非地区（47%）、南部地区（23%）和北部地区（4%）（图2）。

3.2 受访者对合成生物学的认知和看法
关于合成生物学的知识来源，73%的受访者表示通过大学或互联网搜索了解该领域。大多数参与者在此之前曾学习过SynBio4ALL课程，这可能是这一比例较高的原因。其余受访者则通过朋友、媒体等途径了解合成生物学（图3A）。在140名受访者中，69%高度支持在非洲实施合成生物学项目，只有5%表示反对（图3B）。超过74%的受访者表示对合成生物学非常熟悉或较为熟悉（图3C），表明可能有更多人听说过或参与过相关研究。
图3：受访者对合成生物学的认知和看法，（A）了解途径，（B）对实施的支持程度，（C）对技术的熟悉程度。
受访者普遍认为合成生物学是解决重大社会问题的实用工具。如表1所示，他们认为合成生物学在健康和医疗创新（50.0%）、农业和食品安全（35.7%）方面的潜力最大，其次是经济和工业发展（26.4%）以及环境可持续性（21.4%）。总体而言，受访者认为合成生物学在疾病控制、作物改良和环境保护方面具有重大意义。

表1：受访者对合成生物学的看法，按主题编码的频率（%）和示例引文：
- **健康和医疗创新**：70（50.0%）——参与者认为合成生物学可以改善诊断、治疗、疫苗研发和疾病应对。
- **农业和食品安全**：50（35.7%）——参与者将合成生物学与作物改良、农业生产力和食品安全联系在一起。
- **环境可持续性**：30（21.4%）——参与者认为合成生物学有助于废物管理和可再生能源利用。
- **经济和工业发展**：37（26.4%）——参与者认为合成生物学能推动本地生产和产品创新。

3.3 障碍和阻碍合成生物学发展的因素
下一节调查重点探讨了阻碍非洲合成生物学发展的因素和障碍。超过50%的受访者指出，培训机会不足和缺乏合成生物学教育是主要障碍（图4）。超过四分之一的受访者认为缺乏相应的监管框架也是实施合成生物学的阻碍。
图4：限制合成生物学应用的障碍和缺口。
表3显示，实验室实践的获取主要受到结构性障碍的限制。有限的设备和基础设施是主要问题（69.4%），其他挑战还包括受限的访问权限和低水平的机构支持（32.2%）、资金不足和高成本（26.4%），以及技能和培训差距（19.8%）。这一模式表明，参与者参与合成生物学的程度受到实际操作限制的阻碍较小，而不是因为缺乏兴趣。表3显示了这些主要问题及其对应的频率和描述。

关于将合成生物学技术整合到大学课程中的情况，只有40%的受访者报告说这些技术已经被纳入课程（图5）。在描述合成生物学被整合的教学内容时，最突出的主题是分子生物学基础（47.6%），其次是基因工程和基因编辑（28.6%）以及系统、蛋白质和代谢工程（23.8%）（表4）。总体而言，研究结果表明，合成生物学的教学主要集中在核心的分子方法上，而更高级的领域出现频率较低。

在调查的最后一部分，受访者被要求评价SynBio4ALL非洲的初级和中级合成生物学课程。64%的参与者（图6A）参加了SynBio4ALL非洲的课程，其中48%参加了中级课程，24%同时参加了两个级别的课程，28%只参加了初级课程（图6A）。通过将调查数据与注册名单进行比对，验证了这些数字的准确性。超过50%的受访者认为课程的教学风格和质量非常出色（图6B），而在培训中获得的顶尖技能是合成生物学原理和实验设计（图6C）。超过90%的学生表示这些课程提高了他们对合成生物学的理解，64%的受访者表示这些课程对他们的职业目标产生了积极影响。完成课程后，大多数学生对在研究领域应用合成生物学技能和知识感到自信（图9B），并且99%的人愿意向他人推荐这些课程（图9A）。

研讨会的相关反馈主要集中在知识拓展和理解提升上（50.0%），其他相关主题包括建立网络和机会接触（15.5%）、激励和职业信心（10.3%）以及协作和可转移技能（10.3%）（表6）。这表明研讨会不仅培养了人们对合成生物学的认识，还促进了职业方向的选择和参与度。

总体而言，这项研究提供了描述性证据，表明非洲学术界对合成生物学的认识正在逐渐增加，尤其是在年轻科学家和早期职业研究者中。然而，这些发现应被视为初步探索，而非具有普遍统计意义，因为分析主要依赖于描述性统计，且样本在各地区和受访者类别之间的分布并不均匀。大多数受访者（84%）的年龄在18至34岁之间，这反映了大学生和早期职业研究者的积极参与；不过这一现象也可能是因为研究主要针对高等教育机构进行的招募。尼日利亚的研究也显示了类似的年龄分布，其中年轻人群体对新兴领域的参与度更高。这一现象可能与媒体接触和现代教育有关。同时，样本的年龄结构也可能受到招募方法的影响，而非能够代表整个非洲学术界的真实情况。参与者中约94%是学生或早期职业研究者，只有6%是讲师，因此研究结果更多反映了这些群体的观点。

在地理分布上，样本也不均衡：大约54%的受访者来自东非，而北非只有4名参与者。招募策略可能也是造成这种分布的原因之一，因为这些地区的参与者更可能通过社交媒体网络和SynBio4ALL的外展渠道接触到在线课程。此外，SynBio4ALL的其他项目也普遍吸引了大量东非地区的参与者，表明该地区对合成生物学的认识较高。尽管这种模式限制了结论的普遍性，但它表明合成生物学在某些地区的关注度正在增强。尼日利亚、埃及、肯尼亚、乌干达和南非等国家近年来一直在积极采用这些新技术（Igborgbor等人，2024年；Otim等人，2023年）。然而，当前的研究并不支持在非洲各地区进行比较性分析，因此应将其视为生成假设的依据，而非代表整个非洲的意见。

基于互联网的平台是获取合成生物学知识的主要来源，超过了传统的大学课程。这凸显了学术研究中结构化整合的不足。虽然在线平台如Coursera和edX等提供了易于获取的最新内容，但过度依赖这些数字资源可能会导致学习者在指导、信息准确性和实践培训方面受到限制。大学可以提供实践培训，但学生更倾向于通过互联网快速获取学习资源。这些发现表明需要结合数字化学习和大学实验室培训的混合教育模式，使学生既能掌握概念理解，又能具备实践能力。主题分析还显示，受访者将合成生物学与多个潜在益处领域联系起来，尤其是在健康和医疗创新、农业和食品安全、经济发展以及环境可持续性方面。这与加纳和南非之前的研究结果不同，后者强调了对农业生物技术应用的乐观态度。然而，积极的看法本身并不足以带来广泛的采用，因为政策障碍、基础设施不足和培训差距仍然是非洲大陆面临的主要限制。

关于生物安全、环境风险、伦理影响和潜在误用以及合成生物学应用治理不平等的问题也很突出。类似的问题也在尼日利亚和南非的 stakeholder 研究中得到过体现，其中安全、伦理和法规是公众接受度的重要因素。解决这些问题需要不仅制定监管框架，还需要持续的公众参与和关于益处与风险的清晰沟通。缺乏设备齐全的研究设施减少了本科生和研究生培训的机会，从而限制了熟练合成生物学家的发展。如表4和表5所示，将合成生物学纳入正式课程被确定为提升能力的关键步骤。只有少数受访者报告在其学术项目中接触过合成生物学的内容，而这些反馈主要来自东部地区的参与者。虽然这种模式可能受到样本中东非受访者比例较高的影响，但它也可能表明该地区在课程开发方面已经做出了初步努力。鉴于其他地区的回应有限，这种观察结果应谨慎解读；然而，它确实表明东非在将合成生物学纳入高等教育方面取得了进展。重要的是，表4中的发现表明，当合成生物学模块被纳入课程时，这些课程主要侧重于分子生物学基础，如PCR、重组DNA技术和基因编辑，而对系统工程、蛋白质工程或代谢工程的提及相对较少。早期将合成生物学融入课程已被证明可以提高新兴科学领域的技术技能和知识水平（Diep等人，2021年；Menard等人，2024年）。因此，加强本科生和研究生阶段的跨学科培训可能会打破合成生物学专业人才短缺的循环。

4.3 监管和政策考量
相关发现还指出了监管和治理问题的重要性，主要涉及生物安全和生物信息安全、伦理问题以及公平获取技术利益的问题。大多数非洲国家仍然缺乏针对合成生物学和其他生物技术领域的监管框架。在许多情况下，合成生物学的监管包含在现有的转基因生物法规中。尽管肯尼亚、尼日利亚和南非等国家已经建立了转基因生物的监管框架（de Beer和Wynberg，2018年；Oh和Ezezika，2014年），但这些框架可能无法完全涵盖合成生物学研究的独特技术方面。因此，有必要制定专门的法规以保障安全并解决其他伦理问题。受访者强调需要制定政策和法规来增强合成生物学创新的安全性，并建立公众对该领域的信任。区域间的合作与生物安全和生物安全政策的协调可能会有助于非洲各国实现更一致的发展路径（Nyakairu，2024年）。Nyakairu的研究发现，一些国家正在努力制定监管框架以应对当地社区提出的问题。尽管有了这些讨论，该领域仍存在持续性的挑战。

4.4 在线能力建设干预措施的影响
SynBio4ALL组织组织的在线速成课程评估表明，在线培训可以提高人们的意识和自我认知能力，超过90%的参与者报告说他们的合成生物学知识有所增加。大多数受访者表示，在将所学概念应用于日常研究中时更加自信，并表达了从事合成生物学工作的兴趣。表6中的研讨相关主题发现显示，参与者不仅知识面得到了扩展，还提升了网络交往能力、动力以及协作技能。虽然自我报告的理论知识提升可能无法替代实际技能的评估，但这些发现表明，结构化的在线模块可以成为推广合成生物学教育的有效手段。然而，仅依靠在线学习不足以实现长期的能力建设，还需要实验室实践、课程整合和机构支持。表5中的反馈显示，参与者仍需要更多的意识提升活动、实践培训机会和资金支持。

5 结论
推动非洲学术界的合成生物学发展需要教育、基础设施和政策领域的协同行动。首先，增加对研究基础设施的投资和资金策略对于支持实验室建设和培训至关重要。其次，将合成生物学纳入正式课程可以加强学生对相关技术和技能的早期接触。第三，协调生物安全和生物安全框架将增强公众对该技术的信任，并促进技术的负责任使用。最后，对在线速成课程的积极反馈凸显了结合在线和实际操作的混合培训模式的潜力，有助于扩大人们对合成生物学基础知识的学习范围。除了机构政策和基础设施投资外，非洲合成生物学的长期发展还取决于支持科学发展的更深层次的社会因素。人口趋势表明，非洲大陆可能拥有丰富的未来科学人才储备。非洲目前拥有世界上最年轻的人口之一，预计到本世纪中叶，全球劳动年龄人口中将有相当一部分居住在该大陆。历史上，许多具有变革性的科学和技术进步都出自职业生涯初期的研究人员，那时他们的智力灵活性、冒险精神和对新范式的开放程度往往达到顶峰。在这种情况下，扩大高质量STEM教育和研究培训的覆盖范围将使越来越多的年轻非洲科学家在全球合成生物学发展中发挥更加重要的作用。

同时，数字基础设施和在线教育平台的迅速发展为新型的科学培训与合作模式创造了机会。结合虚拟学习、分布式研究网络以及专注于紧迫社会挑战（如可持续农业、气候适应能力和传染病）的区域研究枢纽的混合教育生态系统，可能帮助非洲机构开发出创新性的科学能力建设路径。如果得到适当的投资、导师网络和监管框架的支持，这些发展将使非洲研究人员不仅能够参与全球合成生物学社区，还能贡献新的见解和具有本地意义的创新。