现代生物技术及其应用

高晓华　龚祝南

作为21世纪生命科学时代标志的现代生物技术是现代生命科学发展及其与相关学科交叉融和的产物，其核心是以DNA重组技术为中心的基因工程，还包括微生物工程、生化工程、细胞工程及生物制品等领域，同时在医疗保健、农业、环保、轻化工、食品等重要领域对改善人类健康与生存环境、提高农牧业和工业产量与质量都开始发挥越来越重要的作用。生物技术已经成为现代科技研究和开发的重点，在发达国家生物技术产业已经成为一个新的经济增长点，其增长速度大约为25％-30％，是整个经济增长平均数的8—10倍左右。

2000年，中国生物技术产业产值已经达到200多亿元，北京、上海、广州、深圳等地建立了20多个生物技术园区，涉及现代生物技术的企业约500家，从业人员超过5万人。其中涉及医药生物技术的企业300多家，涉及农业生物技术的企业200多家。到2006年，中国现代生物技术产业的年产值达到600亿元，传统生物技术产业的年产值达到3 000多亿元。2007年，全国涉及现代生物技术的企业约500家，年产值近万亿元。中国生物医药产业规模近15年大致增长了100倍。

1药物生物技术

生物技术中主要的方向——生物技术药物，是指运用现代生物科学、医学和药学等的研究成果，综合利用微生物学、化学、生物化学及分子生物学技术、药学等科学的原理和方法从生物体、生物组织、细胞、体液等制造的一类用于预防、治疗和诊断的制品。生物药物原料以天然的生物材料为主，包括微生物、人体、动物、植物、海洋生物等。

随着生物技术的发展，有目的人工制得的生物原料成为当前生物制药原料的主要来源，如用免疫法制得的动物原料、重组基因结构制得的微生物工程菌株或其他细胞原料等。生物药物的特点是药理活性高，毒副作用小，营养价值高。生物药物主要有蛋白质、核酸、糖类、脂类等。这些物质的组成单元为氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸等，对人体不仅无害而且还是重要的营养物质。生物药物的阵营很庞大，发展也很快，目前全世界的医药品已有一半是生物合成的，特别是合成分子结构复杂的药物时，生物合成法不仅比化学合成法简便，而且有更高的经济效益。

药物分子的生物半合物与生物转化是目前生物药学研究领域中的生长点之一。该领域研究的核心生物反应器经历了3个发展阶段：细菌基因工程、细胞基因工程、转基因动物生物反应器。转基因动物生物反应器的出现之所以受到人们极大的关注，是因为它克服了前两者的缺陷，即细菌基因工程产物往往不具备生物活性，必须经过糖基化、羟基化等一系列修饰加工后才能成为有效的药物，而细胞基因工程又因为哺乳动物细胞的培养条件要求相当苛刻、成本太高而限制了大规模生产。另外，转基因动物生物反应器还具有产品质量高、容易提纯的特点。一般把目的片段在器官或组织中表达的转基因动物叫做动物生物反应器。几乎任何有生命的器官、组织或其中一部分都可以经过人为驯化为生物反应器。从生产的角度考虑，生物反应器选择的组织或器官要方便产物的获得，例如乳腺、膀胱、血液等，由此发展了动物乳腺生物反应器、动物血液生物反应器和动物膀胱生物反应器等。其中，转基因动物乳腺生物反应器的研究最为引人注目。

2农业生物技术

农业生物技术产业是指运用基因工程、发酵工程、酶工程以及分子育种等生物技术，培育动植物新品种、生产生物农药、兽药与疫苗，以及生物肥料、生物农用材料等所形成的产业。目前，中国农业生物技术产业主要包括转基因农作物和超级杂交水稻、植物组织培养、生物农药、饲料添加剂、兽用疫苗、生物肥料、生物农用材料等方面。

农业生物技术产业具有良好的发展态势；以转基因技术为例，2006年全球转基因作物的种植面积猛增1200万ha，增幅为13％，达到了1.02亿ha，首次突破1亿ha大关；种植转基因作物的农户数量首次超过了1000万户；1996年到2006年的累计种植面积超过了5亿ha，达到5.77亿ha，前所未有地实现了60倍的增长。各项生物技术的应用达到顶峰，生物技术的应用提高了食物、饲料、纤维和燃料等作物的产量，并取得了多项里程碑式的成果。

2006年种植转基因作物的农户超过了1000万户，其中有一半的种植人口是在中国。除了在棉花种植中应用生物技术外，中国国家农业转基因生物安全委员会还在2006年建议批准了抗番木瓜环斑病毒的转基因番木瓜。这使中国批准商业化种植的转基因作物达到了6种。目前以中国为代表的发展中国家对农业生物技术的需求不断增长，已经成为全球农业生物技术的一个重要参与者，并将成为全球生物技术应用的“发动机”。

3环境生物技术

环境生物技术是指用于环境保护与生态修复等的生物技术。生物是构成生态系统的要素，生态系统内物质循环主要是依靠生物过程来完成的。生物技术是环境保护的理想武器，这一技术在解决环境问题过程中所显示的独特功能和显著优越性充分体现在它是一个纯生态过程，从根本上体现了可持续发展的战略思想。生物技术在处理环境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点，加之其技术开发所预示的广阔的市场前景，受到了各国政府、科技工作者和企业家的高度重视。随着生物技术研究的进展和人们对环境问题认识的深入，人们已越来越意识到，现代生物技术的发展为从根本上解决环境问题提供了无限的希望。

目前生物技术应用于环境保护中主要是利用微生物，少部分利用植物作为环境污染控制的生物。生物技术已是环境保护中应用最广的、最为重要的单项技术，其在水污染控制、大气污染治理、有毒有害物质的降解、清洁可再生能源的开发、废物资源化、环境监测、污染环境的修复和污染严重的工业企业的清洁生产等环境保护的各个方面，发挥着极为重要的作用。应用环境生物技术处理污染物时，最终产物大都是无毒、无害、稳定的物质，如二氧化碳、水和氮气。利用生物方法处理污染物时，通常能一步到位，避免了污染物的多次转移，因此它是一种消除污染安全而彻底的方法。特别是现代生物技术的发展，尤其是基因工程、细胞工程和酶工程等生物高新技术的飞速发展和应用，大大强化了上述环境生物处理过程，使生物处理具有更高的效率、更低的成本和更好的专一性，为生物技术在环境保护中的应用展示了更为广阔的前景。美国环保局在评价环境生物技术时也指出“生物治理技术优于其他新技术的显著特点在于其是污染物消除技术而不是污染物分离技术”。

由于大部分有机污染物适于作为生物过程反应物(底物)，其中一些有机污染物经生物过程处理后可转化成沼气、酒精、生物蛋白等有用物质，因此，生物处理方法也常是有机废物资源化的首选技术。生物过程是以酶促反应为基础的，作为催化剂的酶是一种活性蛋白，因此，生物反应过程通常是在常温、常压下进行的，因而投资省、费用少、消耗低，而且效果好、过程稳定、操作简便。同时，在多数情况下，它还可和其他技术结合使用。用生物过程代替化学过程，可以降低生产活动的污染水平，有利于实现工艺过程生态化或无废生产，真正实现清洁生产的目标。据美国环保局估算，美国现有的化学工业若有5％为生物过程取代，污染防治费用可降低约1亿美元。生物处理技术除易于大规模处理外，还可利用天然水体或土壤作为污染物处理场所，从而大大节约生物处理的费用。另外，生物技术的产品或副产品基本上都是可以较快生物降解的，并且都可以作为一种营养源加以利用。用生物制品代替一切可以取代的化学药物、化石能源、人工合成物等，有助于把人类活动产生的环境污染降至最低程度，使经济发展进入可持续发展的轨道。

当前，环境生物技术在国际上已进入蓬勃发展的轨道。随着全球范围内对环境保护的高度重视和越来越严厉的环境法，市场对环境生物技术的需求越来越广泛。例如，美国的清洁空气法实施后将形成高达几百亿美元的燃煤脱硫市场，其中预计微生物脱硫将达250亿美元，而越来越低的燃油硫分标准也促进了石油微生物脱硫技术的发展，美国的一些生物技术公司正开展的产业化试验将大大推进该技术的发展。利用微生物制氢气和乙醇等可再生性清洁燃料，为彻底解决困扰人类的大气化石燃料污染展示了光明的前景。多年来，由于全球范围内滥用化学品——特别是杀虫剂造成了大规模的水体、土壤污染，对其治理和恢复也将成为一个巨大的市场，非常保守的估计，在未来10年内全球市场将达115亿美元。总之，环境生物技术，尤其是环境污染控制生物技术将具有广阔的市场前景。

生物技术应用正日益渗透到各个领域。我国在中长期规划中列出了生物技术应用的10大领域、35类关键技术，力争培育1000多家大型企业，以实现生物经济强国战略。未来我国将重点发展新兴疫苗、小分子药、新兴中药、高产优质农作物、生物农药、生物制药、生物能源、环境生物技术，同时扩大生物技术产业链，发展生物材料。因此，生物科学与生物技术产业在“生命科学的21世纪”将大有用武之地。