加入WTO在我國經濟生活中是件大事，它既帶給我們巨大的發展機遇，也使我們遭遇到巨大的挑戰。外貿形勢說明：一場曠日持久的、空前慘烈的經濟戰已經打響。與生物技術密切相關的農業、醫藥等產業的狀況也不容樂觀。在這種激烈競爭形勢下，中國企業必需學會積極發現并認真構筑自己賴以生存和發展的優勢，在這當中打造企業自身的技術優勢就具有特別重要的意義。　　令人欣慰的是，在新世紀向我們走來的時候，生物技術掀起了它的第三個浪潮。1999年在“Current Opinion in Microbiology”雜志的一篇文章中寫到：繼醫藥和農業之后，廣泛認為工業生物催化將是生物技術的第三個浪潮。還有，1999年底在美國加利福尼亞召開了一個學術討論會后出版了一本題為“新生物催化劑：21世紀化學工業的基本工具”的專門性書籍。這些跡象表明：以生物催化為核心內容的工業生物技術在支撐新世紀社會進步與經濟發展的技術體系中的地位已經被提到空前的戰略高度。筆者認為：正在向我們走來的“生物技術的第三個浪潮”對我國21世紀的經濟發展將是個不可多得的機遇。本文將討論這次技術革命的社會需求、技術內涵、具體實例以及這個新浪潮對產業結構所可能帶來的影響。　　人類幾千年的文明史證明，一次技術革命的出現必然與以下兩個因素有密切相關：首先要有對新技術革命的強烈的社會需求；其次是必需擁有充滿活力的創新技術。　　1 社會需求　　恩格斯說過：“社會一旦有技術上的需要，則這種需要就會比10所大學更能把科學推向前進”。當今人類社會面臨人口、環境、資源、疾病等多種危機。人類急需從這些危機中擺脫出來，進入一個理想的可持續發展的軌道。在這個過程中，包括生物技術在內的高技術的發展和應用將可能發揮重要作用。　　1．1 環境壓力　　人類的生存環境正在迅速惡化，環境污染已經成為制約人類社會發展的重要因素。　　在水環境方面，根據近年我國政府的環境公報的統計數據，我國年廢水排放量達416億噸，其中工業廢水排放量和生活污水排放量各半。中國主要河流有機污染普遍，面源污染日益突出，主要湖泊富營養化嚴重。我國近岸海域海水污染嚴重，近海環境狀況總體較差，海洋環境污染惡化的趨勢仍未得到有效控制。作為海洋污染的綜合指標之一的赤潮，僅1999年，中國海域共記錄到15起。　　在大氣環境方面，全國廢氣中二氧化硫排放總量1857萬噸、煙塵排放總量1159萬噸、工業粉塵排放量1175萬噸。中國的大氣環境污染仍然以煤煙型為主，主要污染物為總懸浮顆粒物和二氧化硫。少數特大城市屬煤煙與汽車尾氣污染并重類型。酸雨污染范圍大體未變，污染程度居高不下。　　在陸地環境方面，全國工業固體廢物產生量為7．8億噸，工業固體廢物累計貯存量64億噸。工業固體廢物的堆存占用大量土地，并對空氣、地表水和地下水產生二次污染。削減工業固體廢物產生量是我國污染物排放總量控制的重要內容之一。有些地區已經形成垃圾圍城、藍天綠水不再的可怕局面。　　以上情況說明：我國環境污染的規模已經達到十分嚴重地步。尋求已污染環境的治理措施，發展防止新的污染發生的技術已經成為社會可持續發展的當務之急。　　微生物是自然界基本的循環器，微生物及其酶系可以有效分解纖維素、木質素、脂肪、烷烴、芳香烴、某些人工多聚物等等，因此微生物可以在造紙、石油化工、紡織印染、食品加工、炸藥、冶金、殺蟲劑、除草劑、洗滌劑、電鍍、生活污水等污染環境的治理中發揮巨大作用。例如最成熟的活性污泥廢水處理技術就是依靠微生物的作用。毋庸置疑，生物技術是解決環境污染的一種基本工具，它能提供保護環境、恢復環境所必須的許多手段。　　近30年來現代生物技術的多數內容已經滲透到環境工程領域中。有應用前景的領域包括廢物的高效生物處理技術、污染事故的現場補救、污染場地的現場修復技術、可降解材料的生物合成技術等許多方面。具體環境生物技術內容包括構建高效降解殺蟲劑、除草劑、多環芳烴類化合物等污染物的高效基因工程菌和具有抗污染特性的轉基因植物，無廢物、無污染的“綠色”生產工藝，高效污水處理生物反應器，廢物資源化，PCR技術及其他環境監測技術等。以上內容涉及重組DNA技術、固定化技術、高效反應器技術等單元技術及其技術組合的應用。　　環境污染治理產業已經形成了一個巨大的市場，1990年為1900億美元；2000年為3100億美元，世界市場平均增長率達5％。但是其中環境生物技術(主要指微生物菌劑和部分環境監控工程)所占市場分額還十分有限。　　1．2 資源壓力　　當今人類社會面臨的第二個問題是資源壓力。我們應該十分清醒地意識到“一次性能源的末日已經不遠”已成為一個無須更多爭論的前景。石油剩余儲量1400億噸，而年開采量為32億噸，計算下來43年告罄!　　在交通運輸能源結構中石油大約占97％，隨著石油資源不可避免的枯竭，在過去20年中，無論政府或工業部門都在十分積極地開發交通運輸的代替燃料。一個正在成長、但尚存爭論的替代燃料是發酵法生產的乙醇。任何農業國家都可以用現行技術生產燃料乙醇，其中美國發酵生產燃料乙醇的原料是玉米葡萄糖，而巴西則是蔗糖。汽車制造商目前生產的汽車都可以用混合有10％或85％燃料酒精(E85)的燃料。巴西用甘蔗年生產120億升乙醇，以22％比例與汽油混合，或者可用近100％的乙醇。美國用玉米年生產50億升乙醇，上百個加油站能提供E85號燃油。　　目前的問題是需要政府的財政補貼才能維持燃料乙醇的正常生產。令人高興的是從非食品植物發酵生產燃料乙醇的研究取得可喜進展。通過預處理、酶的應用和發酵工藝的改進，把各種農業下腳料，諸如玉米、稻、麥秸稈、甘蔗廢料、廢紙等統稱為“biomass”的一些物質轉化為燃料乙醇。這樣一來，有希望進一步降低燃料乙醇的生產成本。歷史上酒精的價格曾經從每升1．22降到0．31美元。如果酶法加工和生物量利用技術得以進一步改進，預期到2015年，價格還會降到0．12―0．13美元。樂觀地估計，到時候即使沒有政府的價格補貼政策，乙醇也可以取代汽油。　　現代化工中差不多全部人工高分子聚合物的出發原料都來自石油或煤炭。全球龐大的化學工業對一次性礦業資源的過分依賴，使人類社會所面臨的資源短缺形勢更加雪上加霜。2002年6月在加拿大多倫多剛剛閉幕的Bi02002國際大會上有一個專題討論會，來自不同國家的科學家認為：一個全球性的產業革命正在朝著以碳水化合物為基礎的經濟發展。科學家們已經預測：當今高分子化工的碳氫化合物時代將逐步讓位于碳水化合物時代。目前正在開發的多聚乳酸、多聚賴氨酸、多聚羥基丁酸、燃料乙醇以及各種功能寡糖等可視為這個碳水化合物時代來臨的前奏。　　2 技術平臺　　上個世紀70年代以來，在生物技術基礎性研究工作的帶動下已經建立了基因工程、蛋白質工程、代謝工程、組合生物合成、生物催化工程及其他一系列工程體系和技術平臺。這是第三個浪潮又一個必要條件。以下本文以發現新酶為例，簡述這類技術平臺的科學內涵。　　對于工業目的，生物催化劑的吸引力不外乎高效率的催化作用及對底物結構嚴格的選擇性。　　當然，另一方面，生物催化劑用于工業目的也面臨著一些挑戰。首先，酶雖然有其令人滿意的周轉數(turnover numbers)，即單位活性位點在單位時間內可以催化產生較大數量的產物。可是大多數酶的分子量很大，卻只有一個唯一的活性位點。這樣一來，單位質量的催化劑的催化效率有時候就顯得很低。其次，酶一般是不大穩定的，在大多數工業系統中則很難采用這種脆弱的催化劑。最后，現有技術水平尚難保證以工業規模生產出各種物美價廉的生物催化劑。以上三條可概括為酶的可用性、穩定性和可生產性。在考慮把生物催化劑用作工業酶之前，以上三個難點必須加以克服。因此人們急需發現或創造新一代生物催化劑。近年，由于在新技術方面取得了許多新突破，又重新燃起了人們對酶在工業上應用的巨大興趣。　　發現或創造新一代生物催化劑的技術平臺包括天然生物多樣性的篩選、基因組測序、定向進化、噬菌體展示、理性設計、化學修飾、催化性抗體和核酶等。這里僅就與發現和創造新工業酶密切相關的前四項內容作些介紹和討論。　　2．1 生物多樣性　　自然界蘊藏著巨大的微生物資源，但是人類至今對極端環境微生物(extremophiles)和未培養微生物(unculturable microorganisms)兩個資源寶庫涉足不深，所以研究開發潛力極大。　　可以預期，人們能從嗜酸、嗜堿、嗜冷、嗜熱、嗜鹽、嗜壓等等極端微生物中獲得許多有價值的酶、蛋白質以及其他活性物質。在過去幾年中，隨著重組酶生產技術的開發，使人們有可能從更廣泛的來源獲取更廉價的酶。近年在這方面取得的進展在一定程度上得益于極端微生物培養技術的進步，更得益于把極端微生物的基因轉移到常用受體微生物宿主能力的提高。如此一來，人們有理由相信：在溫和、便宜的生長條件下就可以生產出對極端環境具有耐受性能的生物催化劑來。　　另外據知，能夠在實驗室培養的微生物的種類僅占自然界中微生物總數的不到1％!也就是說，還有99％的不可培養的微生物等待著我們用非常規手段加以研究。作為微生物資源研究和開發領域里的一個重大探索，可以采用最新的分子生物學方法，繞過菌種分離純化這一步驟，直接在自然界中尋找有開發價值的微生物基因。把來源于未經培養的微生物的DNA克隆到業經培養馴化的宿主生物體中，然后用高通量篩選技術從重組的克隆里篩選為新酶編碼的基因。　　微生物世界展示給人類如此巨大的機會使我們興奮不已，一些有識之士指出：未知的微生物世界或許是地球上最大的未開發的自然資源，能充分利用這個微生物資源寶庫的國家必將取得發展的先機。　　2．2 基因組測序　　隨著DNA測序能力的提高，對序列的分析能力也得到加強，于是可以發現許多新的基因。通過同已知基因序列進行比較來推斷新基因表達產物的基本酶活性。當然目前的技術水平還不足以推斷出這些酶性質的許多細節。因此必須表達這些新發現的基因，以確定它們在一個特定的過程中是否確實有用。假定，從一種生物體來源的所有的酶在它的正常生長溫度下都有功能，那么來自超級嗜熱微生物的DNA序列就能成為尋找在沸點附近仍然有功能的酶的合理起點；同樣可以認為，嗜冷微生物的基因則可能成為在零度仍然具有功能的酶的可能來源。　　因特網最新資料表明：大約60種微生物的基因組序列已經完成，另外還有近200種微生物基因組預期很快就可以完成。測序工作的努力已經揭示了數萬個新基因，主要的是編碼酶的一些基因，其中大約三分之一可以被歸到“有功能”的家族里，這是一個十分豐富、而且每天都在增加的新工業酶后選者的來源。相信隨著基因組時代的到來，將會有大量新的工業酶被人類發現。　　2．3 定向性進化　　在以發現工業酶為主要目標的所有技術中，定向進化(directed evolution簡稱DE)可能是最強有力的一種。DE是一種快速而廉價的發現各種新酶的方法。這類新酶在特定的條件下應該比天然酶工作得更好。DE模擬自然進化，這種進化取決于從多樣性群體中選擇合適“個體”，這里的“個體”就是酶。DE是定向的，意思是研究者通過一步步改進使選擇的各種酶要符合一定預期的標準。DE從克隆擬改進的酶的基因起始。分離到的基因通過體外突變使其多樣性得到加強。然后，克隆這些突變株的DNA，并且在通常的受體中表達，分析表達產物的酶活力，選擇最好的變異株克隆。它的基因又作為下一輪篩選的新起點。使用這一方法需要掌握兩項重要的支撐技術，即DNA重排(DNA shaffling)和高通量篩選技術。　　2．4 噬菌體展示　　該技術最初是用于鑒定和分離蛋白質的一些結構域，該結構域能夠牢固地結合到別的分子上。但是近年這個核心技術又經過進一步設計和發展，致使擬被改良的酶在理論上也可充當被鑒定和分離的靶子。噬菌體展示最簡單的形式涉及把小段靶子DNA，(該DNA應該是突變和篩選的靶子)插入噬菌體的基因組中，其插入位置要求其編碼的蛋白質結構域能夠出現在噬菌體顆粒的表面上。靶子基因的突變導致各種不同的結構域在表面上展示，如果各種不同的結構域的任何一個能足夠牢固地結合到一種固定化底物上，則編碼這個結構域的顆粒便粘到這一固定相上，借以把它們從未結合的結構域分開。然后把結合的噬菌體從固定化的底物上洗脫下來，收集之，增殖之。重復這一過程則可以增加獲得具有優良品質酶的幾率。　　3 兩個實例　　以下結合本實驗室的研究工作舉兩個實例。一個是酶制劑L―天冬酰胺酶；另一個是氨基酸，L―天冬酸。這兩個例子在我們討論的生物技術第三個浪潮這個主題下有一定的代表性。　　3．1 L-天冬酰胺酶　　作為抗白血病首選藥物的L―天冬酰胺酶早就用大腸桿菌發酵的方法生產，但是生產和應用至少存在兩個問題。一個問題是細胞形成酶的能力很低；另一個問題是酶在體內半衰期短。這兩個問題的存在導致藥物生產成本過高，加大了患者的負擔。　　本實驗室借助基因工程技術提高了酶合成能力，首先從大腸桿菌獲得編碼該酶的基因，體外重組之后再轉化到大腸桿菌體內，不同的是強化了上游調控元件，便大大提高了酶合成能力40多倍!　　本實驗室解決半衰期短和穩定性差的策略是制備L―天冬酰胺酶―抗體的融合蛋白。首先從噬菌體抗體庫中篩選得到L―天冬酰胺酶(ASNase)的保護性抗體scFv46，然后構建融合蛋白scFv-ASNase及ASNase―scFv。穩定性測定結果表明：這兩種融合蛋白比天然ASNase的抗蛋白酶降解的能力強，并將天然ASNase的體外半衰期由2小時分別提高到9小時和6小時，另外，二者對高溫及低pH條件都具有較強的抗性。通過計算機模擬技術，預測了融合蛋白ASNase―scFv及scFv―ASNase的三維結構，并與報道的天然ASNase的三維結構進行比較分析。通過結構分析并結合上述的實驗結果，提出scFv的保護機制是scFv的空間阻礙效應(如封閉蛋白酶作用位點)與改變酶分子靜電勢表面的綜合作用結果。　　借助完全基因組序列信息進一步提高L―天冬酰胺酶的穩定性的新嘗試。通過近年中國科學院一個科學家小組的不懈努力，完成了一種極端嗜熱微生物長達2689443 bp全部基因組的測序研究工作。為進一步提高L―天冬酰胺酶的穩定性并延長該藥的體內半衰期，我們在這方面作出了的新努力，即試圖借助完全基因組序列信息，從一株極端嗜熱微生物中尋找穩定性更好的L―天冬酰胺酶。　　本實驗室已經測知E．coli L―天冬酰胺酶的氨基酸序列及為其編碼的基因核苷酸序列。在上述極端嗜熱微生物的完全基因組序列數據庫中搜尋E．coli L―天冬酰胺酶的結構類似物，結果在No．967號基因編碼的蛋白質中，發現了一個一級結構與L―天冬酰胺酶十分相似的蛋白質。其中35％(115／323)的氨基酸完全一樣，另有52％(171／323)的氨基酸相似。因此，有理由相信在這株極端嗜熱微生物中很有可能存在一個與E．coli L―天冬酰胺酶有類似功能的蛋白質。又鑒于該基因來自極端嗜熱微生物，預期這個蛋白質還將會具有更好的熱穩定性。當然，一切結論將留待通過對該基因的克隆、表達、產物的分離和功能分析的結果予以最后的證實或澄清。　　3．2 L―天冬酸　　通常的生產方法是用富含L―天冬酸酶的微生物細胞，經過固定化處理后，將底物反丁烯二酸轉化為L―天冬酸。本實驗室早期也曾作過一些工作并且投入生產應用。在2000年柏林生物技術大會上得知，日本一個公司采取一系列改進措施，使生產工藝水平大大提升了一步。首先為解決酶合成能力低下問題，也是采用基因工程技術，提高合成能力50倍；固定化酶的通透性問題因采用離子交換性質的材料而得以解決；反應熱―反應器設計及降低反應溫度，從37℃降低到20℃；消除了污染環境的副產物硫酸銨，代之以能重復使用的反丁烯二酸銨；正在開辟L―天冬酸的新用途，用于制造多聚L―天冬酸酶。這個經過改進的新工藝既是先進的、高效的，又是綠色的、環保的。使這一產品的生產工藝幾乎達到盡善盡美的地步，代表了21世紀傳統產業改造的方向。　　4 產業結構　　我們正處在這樣一個時代：社會經濟發展所遇到的一些重大障礙有待工業生物技術去解決；科學技術的迅速發展形成了一批先進的技術平臺；許許多多實例說明生物技術的第三個浪潮正在向我們走來。我們相信：在這第三個浪潮中，中國和世界工業生物技術產業結構將會發生巨大的變化。　　上世紀工業生物技術產業格局大體上包括抗生素、維生素、氨基酸、有機酸、(醋酸、乳酸、檸檬酸、衣康酸、蘋果酸、葡萄糖酸等)、酶制劑、單細胞蛋白、溶劑(丙酮、丁醇)、乙醇、核酸、核苷酸等等。傳統產業的全面技術改造：向高產、優質、高效、資源節約、環境友好型過度，還肯定誕生一批新產業，包括生物材料產業、生物能源產業、生物化工產業及環境生物技術產業等等。

標簽：生物技術發揮人類