Synthetic biology and biotechnology for military medicine and chemical and biological defence – current state and future perspectives

Abstract

This report presents a horizon scan of potential capabilities within military medicine and chemical and biological (CB) defence based on technological developments in synthetic biology and bio-technology. It is based on a review of existing literature from open sources and NATO reports. Synthetic biology and biotechnology have gained increasing attention by NATO and defence research institutes, and they are highlighted in the NATO Science and Technology Trend Report 2023-2043 as an Emerging and Disruptive Technology (EDT). Synthetic biology includes techno-logies that enable design and modification of organisms and biological systems to perform new tasks. Rapid advances within synthetic biology and biotechnology enable improvements in areas such as medicine, materials, sustainability, and energy production, potentially benefitting the defence sector in the form of strategic technological advantages and enhanced preparedness. However, improved access outside regulated labs raises concerns due to open-source pathogen genomics, de-skilling in biology, and affordable DNA synthesis. This underscores the need to stay informed about advancements to effectively counter potential malevolent applications. Our report highlights the potential benefits of synthetic biology while reviewing its core technologies, like DNA synthesis and sequencing, genetic engineering, stem cell technology, and biosensors. We explore how these advancements can benefit both military medical services and CB defence, as well as yield benefits for civilian preparedness and public health. Our report places particular emphasis on medical countermeasures and detection applications, including efforts to address the critical issue of antibiotic resistance. Furthermore, we explore treatments for physical trauma, including innovative methods like regenerative medicine, which incorporates advanced technologies like stem cells and 3D-printing. In addition, we highlight the potential of gene sequencing for detection and identification purposes (DIM), disease prevention, treatment, and soldier enhancement, including ethical and privacy concerns as key barriers to its advancement. Our general recommendations include allocating significant resources to research, development, testing, and evaluation (RDT&E) and fostering collaboration with academia and private enter-prises. However, ethical framework and governance must be addressed as soon as possible. The security risks are another challenge posed by the convergence of biotechnology and digital technologies, which require innovative solutions to safeguard sensitive data and research. Our report also presents capability-specific suggestions. First, the development of DIM methods for genetically engineered microbes within the realm of CB defence should be encouraged. Additionally, biotechnological approaches that enable rapid, on-site production of medical countermeasures should be explored. Attention should also be given to regulatory frameworks concerning human enhancement, encompassing genetic modifications of humans and genetically modified organisms (GMOs) for both medical and non-medical applications. Lastly, it is essential to adopt and adapt civilian applications of synthetic biology and biotechnologies, leveraging them for DIM capabilities, the development of new antibiotics and vaccines, and the advancement of technology aimed at combating antimicrobial-resistant microbes.

I denne rapporten presenterer vi en oversikt over militære kapabiliteter innen medisin og kjemisk og biologisk (CB) vern som kan dra nytte av utviklingen innenfor syntetisk biologi og bioteknologi. Rapporten er basert på eksisterende litteratur fra åpne kilder og NATO-rapporter. Syntetisk biologi og bioteknologi har fått økt oppmerksomhet i NATO og fra ulike forsvarsforskningsinstitutter. I NATO Science and Technology Trend Report 2023-2043 blir de sett på som nye og banebrytende teknologier (emerging and disruptive technologies). Syntetisk biologi omfatter teknologier som gjør det mulig å designe og modifisere organismer og biologiske systemer til å utføre nye, ønskede oppgaver. Syntetisk biologi og bioteknologi er i rask utvikling og gir enorme muligheter innen blant annet medisin, materialer, bærekraft og energiproduksjon, som kan ha stor nytteverdi for forsvarssektoren. Samtidig gir utviklingen økt bekymring for ondsinnet bruk av disse teknologiene på grunn av åpen tilgang til patogeners genomsekvenser, fordi det trengs mindre ferdigheter for å få til biologisk manipulasjon (de-skilling i biologien), og på grunn av lavere syntesekostnader. Dette understreker hvor viktig det er å holde seg oppdatert på teknologiske fremskritt for å effektivt motvirke potensielle ondsinnede anvendelser. I denne rapporten fremhever vi fordelene og mulighetene innenfor syntetisk biologi, og vi går gjennom sentrale teknologier bak utviklingen, blant annet DNA-syntese og -sekvensering, genredigering, stamcelleteknologi og biosensorer. Vi utforsker hvordan disse teknologiske fremskrittene kan være til fordel for forsvarssektoren og for sivil beredskap og folkehelse. Vi legger særlig vekt på medisinske mottiltak og deteksjon, blant annet problemstillingene rundt og mulige løsninger på antibiotikaresistens. Videre tar vi for oss fremtidens behandlinger av fysisk traume ved hjelp av regenerativ medisin der bruk av stamceller og 3D-printing kan spille en viktig rolle. Vi fremhever potensialet for gensekvensering i å forebygge og behandle sykdommer, i deteksjon og identifikasjon (DIM) og i forbedring av soldater. Vi tar også for oss etiske og personvernsmessige bekymringer som sentrale hindringer for utviklingen. De generelle anbefalingene fra arbeidet med denne rapporten inkluderer at betydelige ressurser bør tildeles forskning, utvikling, testing og evaluering, og at samarbeidet med akademia og private aktører bør fremmes. Samtidig må utviklingen av etiske rammeverk og styring settes på dagsordenen. Sikkerhetsrisikoene som oppstår når bioteknologi og digitale teknologier konvergerer, er også en utfordring, og det kreves innovative løsninger for å sikre sensitive data og forskning. Vi har også noen kapabilitetsspesifikke forslag i tillegg til de generelle anbefalingene. For det første bør det legges vekt på å utvikle DIM-metoder for genetisk endrede mikroorganismer som en del av CB-vernet. I tillegg bør det utforskes teknologier som gjør rask, lokal produksjon av medisinske mottiltak mulig. Videre bør det etableres regulatoriske rammeverk knyttet til menneskelig forbedring, som omfatter genetisk modifikasjon av mennesket og genetisk endrende organismer (GMO), til både medisinsk og ikke-medisinsk bruk. Til slutt er det vesentlig å få frem at det er viktig å omfavne sivile anvendelser av syntetisk biologi og bioteknologi, inkludert DIM-kapabiliteter, nye antibiotika, vaksiner og teknologi som bidrar til å bekjempe antibiotikaresistens.