現(xiàn)代生物技術(shù)及其應(yīng)用

高曉華　龔祝南

作為21世紀生命科學(xué)時代標志的現(xiàn)代生物技術(shù)是現(xiàn)代生命科學(xué)發(fā)展及其與相關(guān)學(xué)科交叉融和的產(chǎn)物，其核心是以DNA重組技術(shù)為中心的基因工程，還包括微生物工程、生化工程、細胞工程及生物制品等領(lǐng)域，同時在醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、輕化工、食品等重要領(lǐng)域?qū)Ω纳迫祟惤】蹬c生存環(huán)境、提高農(nóng)牧業(yè)和工業(yè)產(chǎn)量與質(zhì)量都開始發(fā)揮越來越重要的作用。生物技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代科技研究和開發(fā)的重點，在發(fā)達國家生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為一個新的經(jīng)濟增長點，其增長速度大約為25％-30％，是整個經(jīng)濟增長平均數(shù)的8—10倍左右。

2000年，中國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值已經(jīng)達到200多億元，北京、上海、廣州、深圳等地建立了20多個生物技術(shù)園區(qū)，涉及現(xiàn)代生物技術(shù)的企業(yè)約500家，從業(yè)人員超過5萬人。其中涉及醫(yī)藥生物技術(shù)的企業(yè)300多家，涉及農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的企業(yè)200多家。到2006年，中國現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)值達到600億元，傳統(tǒng)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)值達到3 000多億元。2007年，全國涉及現(xiàn)代生物技術(shù)的企業(yè)約500家，年產(chǎn)值近萬億元。中國生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)規(guī)模近15年大致增長了100倍。

1藥物生物技術(shù)

生物技術(shù)中主要的方向——生物技術(shù)藥物，是指運用現(xiàn)代生物科學(xué)、醫(yī)學(xué)和藥學(xué)等的研究成果，綜合利用微生物學(xué)、化學(xué)、生物化學(xué)及分子生物學(xué)技術(shù)、藥學(xué)等科學(xué)的原理和方法從生物體、生物組織、細胞、體液等制造的一類用于預(yù)防、治療和診斷的制品。生物藥物原料以天然的生物材料為主，包括微生物、人體、動物、植物、海洋生物等。

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，有目的人工制得的生物原料成為當前生物制藥原料的主要來源，如用免疫法制得的動物原料、重組基因結(jié)構(gòu)制得的微生物工程菌株或其他細胞原料等。生物藥物的特點是藥理活性高，毒副作用小，營養(yǎng)價值高。生物藥物主要有蛋白質(zhì)、核酸、糖類、脂類等。這些物質(zhì)的組成單元為氨基酸、核苷酸、單糖、脂肪酸等，對人體不僅無害而且還是重要的營養(yǎng)物質(zhì)。生物藥物的陣營很龐大，發(fā)展也很快，目前全世界的醫(yī)藥品已有一半是生物合成的，特別是合成分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的藥物時，生物合成法不僅比化學(xué)合成法簡便，而且有更高的經(jīng)濟效益。

藥物分子的生物半合物與生物轉(zhuǎn)化是目前生物藥學(xué)研究領(lǐng)域中的生長點之一。該領(lǐng)域研究的核心生物反應(yīng)器經(jīng)歷了3個發(fā)展階段：細菌基因工程、細胞基因工程、轉(zhuǎn)基因動物生物反應(yīng)器。轉(zhuǎn)基因動物生物反應(yīng)器的出現(xiàn)之所以受到人們極大的關(guān)注，是因為它克服了前兩者的缺陷，即細菌基因工程產(chǎn)物往往不具備生物活性，必須經(jīng)過糖基化、羥基化等一系列修飾加工后才能成為有效的藥物，而細胞基因工程又因為哺乳動物細胞的培養(yǎng)條件要求相當苛刻、成本太高而限制了大規(guī)模生產(chǎn)。另外，轉(zhuǎn)基因動物生物反應(yīng)器還具有產(chǎn)品質(zhì)量高、容易提純的特點。一般把目的片段在器官或組織中表達的轉(zhuǎn)基因動物叫做動物生物反應(yīng)器。幾乎任何有生命的器官、組織或其中一部分都可以經(jīng)過人為馴化為生物反應(yīng)器。從生產(chǎn)的角度考慮，生物反應(yīng)器選擇的組織或器官要方便產(chǎn)物的獲得，例如乳腺、膀胱、血液等，由此發(fā)展了動物乳腺生物反應(yīng)器、動物血液生物反應(yīng)器和動物膀胱生物反應(yīng)器等。其中，轉(zhuǎn)基因動物乳腺生物反應(yīng)器的研究最為引人注目。

2農(nóng)業(yè)生物技術(shù)

農(nóng)業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)是指運用基因工程、發(fā)酵工程、酶工程以及分子育種等生物技術(shù)，培育動植物新品種、生產(chǎn)生物農(nóng)藥、獸藥與疫苗，以及生物肥料、生物農(nóng)用材料等所形成的產(chǎn)業(yè)。目前，中國農(nóng)業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)主要包括轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物和超級雜交水稻、植物組織培養(yǎng)、生物農(nóng)藥、飼料添加劑、獸用疫苗、生物肥料、生物農(nóng)用材料等方面。

農(nóng)業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)具有良好的發(fā)展態(tài)勢；以轉(zhuǎn)基因技術(shù)為例，2006年全球轉(zhuǎn)基因作物的種植面積猛增1200萬ha，增幅為13％，達到了1.02億ha，首次突破1億ha大關(guān)；種植轉(zhuǎn)基因作物的農(nóng)戶數(shù)量首次超過了1000萬戶；1996年到2006年的累計種植面積超過了5億ha，達到5.77億ha，前所未有地實現(xiàn)了60倍的增長。各項生物技術(shù)的應(yīng)用達到頂峰，生物技術(shù)的應(yīng)用提高了食物、飼料、纖維和燃料等作物的產(chǎn)量，并取得了多項里程碑式的成果。

2006年種植轉(zhuǎn)基因作物的農(nóng)戶超過了1000萬戶，其中有一半的種植人口是在中國。除了在棉花種植中應(yīng)用生物技術(shù)外，中國國家農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全委員會還在2006年建議批準了抗番木瓜環(huán)斑病毒的轉(zhuǎn)基因番木瓜。這使中國批準商業(yè)化種植的轉(zhuǎn)基因作物達到了6種。目前以中國為代表的發(fā)展中國家對農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的需求不斷增長，已經(jīng)成為全球農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的一個重要參與者，并將成為全球生物技術(shù)應(yīng)用的“發(fā)動機”。

3環(huán)境生物技術(shù)

環(huán)境生物技術(shù)是指用于環(huán)境保護與生態(tài)修復(fù)等的生物技術(shù)。生物是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的要素，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)循環(huán)主要是依靠生物過程來完成的。生物技術(shù)是環(huán)境保護的理想武器，這一技術(shù)在解決環(huán)境問題過程中所顯示的獨特功能和顯著優(yōu)越性充分體現(xiàn)在它是一個純生態(tài)過程，從根本上體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想。生物技術(shù)在處理環(huán)境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反應(yīng)條件溫和以及無二次污染等顯著優(yōu)點，加之其技術(shù)開發(fā)所預(yù)示的廣闊的市場前景，受到了各國政府、科技工作者和企業(yè)家的高度重視。隨著生物技術(shù)研究的進展和人們對環(huán)境問題認識的深入，人們已越來越意識到，現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展為從根本上解決環(huán)境問題提供了無限的希望。

目前生物技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境保護中主要是利用微生物，少部分利用植物作為環(huán)境污染控制的生物。生物技術(shù)已是環(huán)境保護中應(yīng)用最廣的、最為重要的單項技術(shù)，其在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質(zhì)的降解、清潔可再生能源的開發(fā)、廢物資源化、環(huán)境監(jiān)測、污染環(huán)境的修復(fù)和污染嚴重的工業(yè)企業(yè)的清潔生產(chǎn)等環(huán)境保護的各個方面，發(fā)揮著極為重要的作用。應(yīng)用環(huán)境生物技術(shù)處理污染物時，最終產(chǎn)物大都是無毒、無害、穩(wěn)定的物質(zhì)，如二氧化碳、水和氮氣。利用生物方法處理污染物時，通常能一步到位，避免了污染物的多次轉(zhuǎn)移，因此它是一種消除污染安全而徹底的方法。特別是現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，尤其是基因工程、細胞工程和酶工程等生物高新技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用，大大強化了上述環(huán)境生物處理過程，使生物處理具有更高的效率、更低的成本和更好的專一性，為生物技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用展示了更為廣闊的前景。美國環(huán)保局在評價環(huán)境生物技術(shù)時也指出“生物治理技術(shù)優(yōu)于其他新技術(shù)的顯著特點在于其是污染物消除技術(shù)而不是污染物分離技術(shù)”。

由于大部分有機污染物適于作為生物過程反應(yīng)物(底物)，其中一些有機污染物經(jīng)生物過程處理后可轉(zhuǎn)化成沼氣、酒精、生物蛋白等有用物質(zhì)，因此，生物處理方法也常是有機廢物資源化的首選技術(shù)。生物過程是以酶促反應(yīng)為基礎(chǔ)的，作為催化劑的酶是一種活性蛋白，因此，生物反應(yīng)過程通常是在常溫、常壓下進行的，因而投資省、費用少、消耗低，而且效果好、過程穩(wěn)定、操作簡便。同時，在多數(shù)情況下，它還可和其他技術(shù)結(jié)合使用。用生物過程代替化學(xué)過程，可以降低生產(chǎn)活動的污染水平，有利于實現(xiàn)工藝過程生態(tài)化或無廢生產(chǎn)，真正實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的目標。據(jù)美國環(huán)保局估算，美國現(xiàn)有的化學(xué)工業(yè)若有5％為生物過程取代，污染防治費用可降低約1億美元。生物處理技術(shù)除易于大規(guī)模處理外，還可利用天然水體或土壤作為污染物處理場所，從而大大節(jié)約生物處理的費用。另外，生物技術(shù)的產(chǎn)品或副產(chǎn)品基本上都是可以較快生物降解的，并且都可以作為一種營養(yǎng)源加以利用。用生物制品代替一切可以取代的化學(xué)藥物、化石能源、人工合成物等，有助于把人類活動產(chǎn)生的環(huán)境污染降至最低程度，使經(jīng)濟發(fā)展進入可持續(xù)發(fā)展的軌道。

當前，環(huán)境生物技術(shù)在國際上已進入蓬勃發(fā)展的軌道。隨著全球范圍內(nèi)對環(huán)境保護的高度重視和越來越嚴厲的環(huán)境法，市場對環(huán)境生物技術(shù)的需求越來越廣泛。例如，美國的清潔空氣法實施后將形成高達幾百億美元的燃煤脫硫市場，其中預(yù)計微生物脫硫?qū)⑦_250億美元，而越來越低的燃油硫分標準也促進了石油微生物脫硫技術(shù)的發(fā)展，美國的一些生物技術(shù)公司正開展的產(chǎn)業(yè)化試驗將大大推進該技術(shù)的發(fā)展。利用微生物制氫氣和乙醇等可再生性清潔燃料，為徹底解決困擾人類的大氣化石燃料污染展示了光明的前景。多年來，由于全球范圍內(nèi)濫用化學(xué)品——特別是殺蟲劑造成了大規(guī)模的水體、土壤污染，對其治理和恢復(fù)也將成為一個巨大的市場，非常保守的估計，在未來10年內(nèi)全球市場將達115億美元?？傊?，環(huán)境生物技術(shù)，尤其是環(huán)境污染控制生物技術(shù)將具有廣闊的市場前景。

生物技術(shù)應(yīng)用正日益滲透到各個領(lǐng)域。我國在中長期規(guī)劃中列出了生物技術(shù)應(yīng)用的10大領(lǐng)域、35類關(guān)鍵技術(shù)，力爭培育1000多家大型企業(yè)，以實現(xiàn)生物經(jīng)濟強國戰(zhàn)略。未來我國將重點發(fā)展新興疫苗、小分子藥、新興中藥、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)作物、生物農(nóng)藥、生物制藥、生物能源、環(huán)境生物技術(shù)，同時擴大生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，發(fā)展生物材料。因此，生物科學(xué)與生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)在“生命科學(xué)的21世紀”將大有用武之地。