近代人類社會面臨的幾個重大議題包含氣候變遷的管理、減少能源使用、維持糧食產量、改善全球健康等。其中許多議題皆涉及同樣問題並且潛在解決方案是互相關聯的。以下是科學人雜誌和世界經濟論壇根據全球重大議題所列出的 2021 年十項新興產業，包含 (1) 因應加速減碳的脫碳產業 (Decarbonization rises)、(2) 自我施肥的作物 (Crops that self-fertilise)、(3) 可以診斷疾病的呼吸檢測器 (Breath sensors diagnose diseases)、(4) 客製化藥物生產 (On-demand drug manufacturing)、(5) 由無線訊號截取電力 (Energy from wireless signals)、(6) 設計更好的老化 (Engineering better ageing)、(7) 綠色氨氣 (Green ammonia)、(8) 無線生理指標檢測器 (Biomarker devices go wireless)、(9) 用當地材料以 3D 列印技術搭蓋建築 (Houses printed with local materials)、(10) 衛星網路技術 (Space connects the globe)。以下我們聚焦在生醫農領域的五項科技：

一、自我施肥的作物

由於地球人口快速增加，糧食短缺問題已經被聯合國列入未來重要議題之ㄧ。為了生產足夠的糧食，現代農業嚴重仰賴含氮肥料的施用。含氮肥料生產過程主要是將氮氣轉換成植物可用的氨，這種生產方式產出的含氮肥料維持全球 50 % 的糧食生產，過程中需要的能量約為全球能源使用的 1 %。除了能源消耗，含氮肥料的生產過程排出的二氧化碳為全球總排放量的 1~2 %。

為了解決能源消耗、碳排放等問題，科學家們參考了自然界中豆科作物維持氮來源的方法。在土壤中，固氮細菌可將氮氣轉換為植物可利用的氨，而豆科植物會與固氮細菌共生，在其根部形成根瘤組織。透過根瘤組織，豆科植物提供固氮細菌生長所需之醣類，固氮細菌為豆科植物提供其可利用之氮源。經過多年研究固氮細菌與豆科植物建立共生關係時之分子機制已被熟知，近年科學家將研究目標轉向嘗試將固氮細菌與豆科作物建立共生關係之分子調控機制移入非豆科作物中，使其也能利用此共生關係維持氮源供給。另一個策略是利用能與稻穀作物自然建立共生關係的非固氮細菌來解決氮源供給問題。因為這類細菌具有固氮酶 (nitrogenase)，可以把空氣中的氮氣轉換為氨以供植物使用。目前已有許多國家及私人機構投資在這類的研究中，相信未來農業中，種植可利用自然共生關係維持氮源供給之作物將會是未來永續糧食生產經營之關鍵。

二、可以診斷疾病的呼吸檢測器

當警察懷疑駕駛者酒駕時，可以用呼氣式的酒精檢測儀來測駕駛者血液中的酒精含量。同樣的方法是否能應用在疾病診斷呢？答案是肯定的。人類呼出的氣體中包含了超過八百種氣體。近期科學家的研究發現，某些疾病與人類所呼出氣體的成分比例具有相關性。例如，呼出氣體中的丙酮濃度增加，很高機率代表受測者可能患有糖尿病、一氧化氮濃度的提升可能是檢測者身體正在發炎、高濃度醛類代表受測者可能有肺癌，這些都可作為呼吸檢測器檢測疾病時用來判斷的生理指標。過去檢測疾病的方式常見為侵入式檢驗，不僅耗時、高成本且會在檢驗者身上造成疼痛及傷口。而呼吸檢測器的開發即是為了解決這些缺點。此外，其便利性與成本效益佳之特性也使呼吸檢測器適合在經濟水準較差的國家市場中推行。

目前呼吸檢測器相關技術仍屬於開發階段，正確率及在臨床上的檢測結果驗證仍有不足。然而近幾年因為新冠肺炎疫情又再次推動了這類研究的發展，如美國政府重新斥資三百八十萬投資於電子鼻開發計畫，期望透過電子鼻能有效偵測空氣中的有害分子，如新冠肺炎病原體、2020 年三月 Hossam Haick 與其團隊在中國武漢測試其開發之呼吸檢測器在檢驗受測者是否感染新冠肺炎獲得 95 % 的正確率等結果皆使呼吸檢測器相關之研究逐漸獲得更多重視。

三、客製化藥物生產

傳統藥物的製作過程中通常都是產量多且步驟繁多、分散在不同地點進行。這樣的流程其實對每批次藥物生產的品質一致性是一大考驗。製程中也花了許多時間在運送藥物。相反地，客製化藥物的生產則是在一條產線中就可以完成。這樣在單一地點就能完成藥物生產也同時意味著藥物生產也可以在較偏遠地區或戰地醫院進行、藥物生產中運輸及儲存成本的降低以及藥品產量、種類更易以實際需求來訂製。2016 年麻省理工學院 (Massachusetts
Institute of Technology) 的研究員與美國國防高等研究計劃署 (Defense Advanced Research Projects Agency) 合作以冰箱大小的客製化藥物生產機器在一天之內就產出抗過敏、治療焦慮、憂鬱與肌肉鬆弛劑、麻醉劑等四種常見藥物各 1000 劑，這樣的結果說明藥物客製化是有可能在現實生活中實現的。

許多藥商公司正致力於客製化藥物生產技術商業化。目前已有許多平台提供客製化藥物服務，如美國 AMPoD (American Made Precursors on Demand) 提供幫忙客戶從前驅藥品製成合格可販售於市場的客製化藥品、Bio-Mod 提供生物製藥客製化服務、IV Medicines on Demand 可進行客製化無菌注射劑生產。其它藥商包含嬌生、諾華等公司也已經在他們的產線上部分採用客製化製藥流程來生產他們的產品。雖然目前因為客製化藥物生產機器仍要價上百萬導致客製藥物產業還無法在市場上普及且客製化藥物流程的品管制度也還需要被建立，但隨著這些阻礙被克服後，客製化藥物所帶來的便利性將大大改變目前製藥流程之模式。

四、設計更好的老化

根據世界衛生組織預估，2015 年到 2050 年間 60 歲以上的老年人口會增加近兩倍，屆時將對人類的醫療及社會系統造成重大的影響。「老化」通常意味著也和慢性疾病畫上等號，如失智、糖尿病、動脈粥狀硬化等。了解細胞調控老化的分子機制不僅可以幫助人類活得更長且更健康，近年隨著基因體、蛋白質體、表觀遺傳學等相關生物分子知識的認識越來越完善，對於調控老化分子機制的了解也越見清楚。例如，透過人類細胞 DNA 上化學修飾的情形或二次代謝物濃度可了解到人體老化程度、分析 DNA 上化學修飾情形可用來預測死亡及老化相關疾病的發生。近期的一項臨床研究即以齧齒動物為研究材料，發現針對調控壽命相關基因的基因療法可改善老化現象。此外，實驗結果也顯示持續進行含有人類生長素的雞尾酒療法一年可以讓人體的生物時鐘倒退 1.5 年。科學家們還發現將年輕人類血液中的某些特定蛋白質注入老年小鼠體內可以改善與老化相關的大腦功能障礙。

基於對調控老化相關分子機制的了解及臨床試驗上的成功，目前已有許多公司正積極參與「老化改善」相關藥物或基因工程療法的開發，期望能以可用技術掌握維持老年健康及控制壽命等相關技術。雖然這些公司的研發計畫大多數仍處於臨床前階段或早期臨床試驗階段，但這些研究的進行仍為人類社會得以掌握改善老化時的生理功能等技術帶來希望。

五、無線生理指標檢測器

許多慢性疾病為了控制病情都需要透過侵入式檢驗來長期追蹤病患的各項身體指數變化，例如，糖尿病患即需要定期採血檢驗血液中的血糖含量。無線型生理指標檢測器的研發即是為了改善這類侵入式檢驗過程所帶來的疼痛。目前已有超過 100 多家公司正參與這類檢測器的研發，目的是希望製造出穿戴式或攜帶式檢測器，透過偵測人體電流、電壓或電化學濃度變化來分析相關生理指數的變化。目前在技術上，無線生理指標檢測器可以與各種類型的偵測器搭配，包括奈米碳管偵測器或磁性奈米粒子偵測器。

根據預測，2030 年的時候將有約五億七千萬人是糖尿病患者，因此利用無線生理指標檢測器偵測糖尿病病患的血糖變化是這類研究的重點項目。目前已有技術可以透過毫米波及近紅外線波偵測受測者手指上的電壓變化來判斷受測者的血糖含量。另一種方法是將紋身電路貼在身上，利用毛細孔分泌的體液作為間質液，通過紋身電路上的電極從間質液中產生離子電流來評估受測者的血糖含量，此項技術也可應用在乳酸含量的檢測。其它研發還包含利用電子隱形眼鏡偵測癌症相關的生理指標、分析唾液中的某些成份變化來了解受測者是否有某些疾病及壓力狀態，如愛滋病、腸道感染、癌症和新冠肺炎等、與牙套結合的無線檢測器可以用來監控口腔健康。