生物技术发展

一. 生物技术的概念

1917年匈牙利工程师K.Ereky 首次使用“生物技术”这一名词时，其原意是指用甜菜作为饲料进行大规模养猪，即把生物原料转变成产品。

1982年国际经济合作及发展组织提出的生物技术定义为：“生物技术是应用自然科学及工程学原理，依靠生物作用剂的作用将物料加工以提供提供产品为社会服务的技术”。这里所谓的“生物作用剂”是指酶，整体细胞或生物体，一般也称生物催化剂。

1986年原国家科委制订《中国生物技术政策纲要》时，曾将生物技术定义为：以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需要的新产品或达到某种目的。在该定义中，所谓“先进的工程技术手段”指基因工程、酶工程、细胞工程、发酵工程等新技术；所谓“生物体”包括动物、植物、微生物等等；所谓“生物原料”包括生物体的一部分或生物生活过程中所能利用的物质，诸如各种有机物、某些无机物及至矿石；所谓“为人类生产出所需要产品”则包括粮食、医药、食品、能源、化工原料、金属及其他材料等；而所谓“某种目的”则包括疾病预防、诊断与治疗，环境污染物监测、环境污染治理与控制、环境修复等等。

1997年加拿大提出的定义：“生物技术是指自然或人工状态下，直接或间接地将科学和工程学方法应用鱼有机体的活体或部分组织，以实现对生产和服务过程进行创新或改进现状的目的”。

2001年美国认为：生物技术是应用分子和生物细胞的工艺来解决问题、进行研究、生产产品并提供服务。

总之，生物技术是一门多学科、综合性的技术科学，最终目的是建立生产过程或为社会服务。其中涉及到的学科包括生物学、化学、工程学、医学、药学和农学等。

二. 生物技术发展简史

2.1 生物技术发展回顾及其主要成果

按照生物技术发展的大致历程，对生物技术的发展分为三个时期：

图一 生物技术发展历程

我国是世界文明古国之一，早在4万-5万年前的旧石器时代，就认识到含糖水果自然发酵的现象，积累了丰富的经验，创造了灿烂的中国酿造文化。真正称得上是有目的的人工酿酒活动是在人类进入新石器时代，即出现了农业生产之后开始的。我们可以把古代生物技术的萌芽，追溯到古老的酿造食品工业，如清酒、啤酒、葡萄酒、黄酒、白酒、酱油、醋、腐乳以及干酪等等的制造。

公元17世纪：威廉·哈维（W.Harvey ）发现心脏的血液循环的动力，并且测量了血流；他还将金鸡纳树皮带到欧洲，用于治疗疟疾，之后还在树皮中发现了奎宁类物质；胡可(R.Hooke)描述了软木塞中的细胞及其他植物组织；列文虎克（Leeuwenhoek ）发明了显微镜（30倍），并描述了血细胞、鱼组织细胞及在池塘中有机物中的微生物（原生生物）；威利斯（T.Willis ）在1664年描述了人脑的结构及颅神经；翰姆（Hamm ）在1679年发现了精子；詹纳（E.Jenner ）发现英国挤奶女工对牛痘免疫，发明了牛痘血清的限制计量的疫苗接种法；白里悌（P.Pelletier ）从吐根中分离出来催吐剂，从印度书（马钱子）中分离出来番木鳖碱，从罂粟的种子中分离出了吗啡，从安古斯图腊树皮中分离出了马钱子碱，从金鸡纳树皮中分离出了奎宁类化合物，从咖啡豆中分离出了咖啡因，从藜芦中分离出了藜芦碱。

公元18世纪：斯帕兰札尼（L.Spallanzani ）通过密闭加热实验得到了灭菌的食品及组织材料，他还证实了精子与卵子的受精；第一次药理学会议在爱沙尼亚的多尔帕特讨论治疗学、毒理学、生理学及植物学等。

公元19世纪：戴维（H.Davy ）发现了一氧化二氮的麻醉性；法拉第（M.Faraday ）发现了乙醚的麻醉性并诊断和描述了白血病、血栓、栓塞；菲尔绍(R·Virchow) 建立了菲而绍假说，认为所有的身体组织及疾病的异常变化都是来自与细胞，他的细胞病理学和物理原子学说相符合，菲尔绍的研究加上分析化

学的发展，奠定了药理学的基础；居维叶（G.Cuvier ）在1816年将动物界分为脊椎动物、软体动物、关节动物和辐射动物4大类；伯齐利厄斯（J.J.Berzelius ）在1838年将含氮的有机化合物命名为蛋白质；李比希（J.von Liebig ）在1846年分离到了酪氨酸，在1860-1900年里分离出了大多数必需氨基酸；劳斯（J.B.Lawes ）在19世纪40年代到50年代，鉴别了作为人及动物营养的必须的蛋白质、脂、糖及其他多种矿质元素；F.B.Raspall 在1825年使用碘作为染料显示植物细胞中淀粉的分布，被认为是组织化学之父；维勒（F.Wohler ）在1828年从无机物氰化氨中合成了尿素；布朗（R.Brown ）在1830年在植物细胞中发现了细胞核；施旺（T.Schwann ）发现自然情况下本来无色的染色体通过与化学染色剂选择性的吸附可以变的可见；珀金（W.Perkin ）在19世纪40年代从硫酸苯胺中合成奎宁的工程中意外地得到了合成染料—苯胺紫，从而奠定了欧洲的染料工业；达尔文（C.Darwin ）1895年，发现了生物进化论；巴斯德（L.Pasteur ）在19世纪60年代证实了微生物不是由腐烂物质产生的，在60到80年代通过对感染的家蚕及其他病原体来源的研究，揭示了细菌和疾病的关系，他还证实了啤酒变酸是由细菌引起的；

20世纪是生物技术飞速发展的年代，以下是生物技术重大发展或发现：

表一 20世纪生物技术重大发展或发现

21世纪，生命科学和生物技术将得到迅猛广阔的发展，并将成为21世纪世界经济新的增长点和支柱产业之一，生物经济的发展正在引起全球经济格局的深刻变化和利益结构的重大调整。

2.2当今中国的前沿生物技术：

（1）“高分辨激光血流成像仪”实现小批量商业化生产，“便携式极光散斑血流成像系统”进行试生产。华中科技大学在高分辨激光散斑血流成像技术方面，旨在开展脑皮层功能多模式光学成像方法的整合技术研究，包括研究快速多波长成像技术、闹皮层功能多参数实时计算机与显示技术，实现对脑认知过程中脑皮层血容量、血氧和血流变化、钙离子浓度或细胞膜电位变化的高分辨并行成像。

（2）开发蛋白质鉴定软件性能达到世界先进水平。中国科学院计算机技术研究所对一系列质谱数据分析和蛋白质及其修饰鉴定核心算法研究，实现了多种蛋白质库检索关键技术，在此基础上开发了稳定可靠的蛋白质鉴定软件PFind 单机版和并行版。

（3）完成工业生物过程生物信息数据库设计，提出阿维链霉菌胞内蛋白酶谱研究方法，解决了阿维菌素生产的瓶颈；运用计算机导向药物分子设计，发现离子通道阻断剂；开展多囊肾病治疗药物先导化合物的设计，确定5种优选化合物，并完成了化合物的放大合成，为后续研究奠定了基础；研发一批用于重大疾病临床诊断、治疗及预后判断的试剂盒、生物芯片和预测模型；肺癌的分子分型基础上的个体化治疗研究取得显著进展。

（4）在纳米药物载体、纳米生物材料、纳米生物传感器等的研究和应用方面取得了重要的进展。多项高靶向、缓解纳米以药制剂进入临床研究。3项纳米药物制剂完成临床前研究，已经申报临床批件的纳米药物制剂。自主研发了多项纳米生物材料产品，主要包括胆道支架、骨修复用纳米生物材料、心血管修复用纳米生物材料等。在纳米生物器件研发方面也取得了重大突破。

（5）DNA 受损细胞自我清除的内在机理研究取得种重要进展；在抗病毒天然免疫信号转导分子机制领域取得重要原创新突破；在神经营养因子和受体复合物结构研究方面取得重要进展；高发及突发传染病重要病原微生物蛋白质三维结构研究取得重大突破。

（6）癌症基因组研究发现多个潜在的药物靶点；全基因组功能区DNA 甲基化监测方法大幅度降低成本；开发出新一代磷酸化多肽高选择性富集技术；蛋白质相互作用技术研究取得重大进展；建立了先进的时间分辨免疫学检测技术平台及抗体制备平台技术。

（7）当今全球科学仪器技术最引人注目的发展大多数集中在生物、医学、材料、航天、环保，国防等领域。我国在生物医学关键仪器方面的研究取得了多项进展，如小动物活体光学分子成像装置、部分K 空间数据成像技术、全自动化学发光免疫分析仪等。

2.3 国外生物技术前沿研究简况

（1）通过对最古老的原始人化石研究得出，最古老的人是“阿尔迪”人，他们生活在距今440万年以前，居住地在现在的埃塞俄比亚。

（2）雷帕霉素能延长实验鼠的寿命。

（3）2009年3月，墨西哥爆发“人感染猪流感”疫情。我国定义为“甲型H1NA 流感”。从此，人类开始了解人畜共患病的概念。

（4）基因治疗法治愈色盲技术在猴子上试验成功。

（5）美国利用强大的计算机和信技术绘制了配额哦太干细胞和肺部纤维原细胞的表观基因图谱。

（6）艾滋病疫苗曙光出现。

（7）美国研究人员找到孤独症“疑凶”---- 5号染色体的变异。

（8）美国FDA 审查的新药denosumab 通过抑制破坏骨骼细胞来治疗骨质疏松症。

（9）科学家再次发现3个可能引起老年痴呆症的新基因。

（10）美国科学家实现了无需插入基因也可以实现人体细胞从组技术。

（11）美国开发出成体细胞转化干细胞新法，转化率比传统方法高200倍。

（12）美国研究人员证实注射干细胞可以修复心肌损伤。

（13）全球首例老鼠子宫移植手术成功，人类子宫移植将于两年内实现。

（14）Ⅱ型糖尿病患者体内发现了一种新的基因突变。

（15）迄今规模最大的罕见肿瘤基因研究完成。

（16）肺癌和皮肤癌完整基因图谱完成。

（17）美国研制出新型纳米粒子药物递送系统，可绕开免疫系统杀死肿瘤细胞，已在动物身上治疗前列腺癌试验成功。

三. 生物技术发展分析

回顾生物技术的发展，起步是比较缓慢的。随着生物技术的发展，它带给人的益处越来越多。如面对粮食问题，利用生物技术提提高产量以及提高作物的抗病、抗虫性上显示出了显著的优势。人类在和疾病做斗争的同时也加快了生物技术的发展。和平与发展成为时代主题的21世纪，随着人口的增长、经济的发展，人类面对了很多严重的问题，例如：全球粮食危机、能源危机、环境恶化等。传统的方法在解决这些问题时显得捉襟见肘，这就对包括生物技术在内的各个学科提出了严峻的挑战，很多国家为促进生物技术的发展，都加大了投资，制订了相应的政策。结合对20世纪生物技术重大发展或发现做的累计曲线（见图二）：

图二 生物技术发展趋势分析曲线

结合图形分析可以得到生物技术的发展规律：

生物技术的起步阶段发展的很慢，到20世纪70年代，生物技术就开始了其快速的发展。截止到目前生物技术的发展呈现“J ”型趋势。随着时间的推移和生物技术领域研究的逐渐深入，其研究难度将越来越大，相应的生物技术成果的诞生也将越来越难。所以总体来看，生物技术的发展应该大致呈现“S ”型。而21世纪初期，依然处在生物技术的飞速发展阶段，并将持续很久。

四. 世界生物技术科技中心--美国，及其他国家生物技术发展动向

美国一直把生物技术作为基础性和战略性产业加以支持，是现在生物技术产业的发轫地和领导者。继信息技术产业之后，美国再次在生物技术产业发展中独占鳌头，研发水平和产业规模均居世界第一。2005年仅联邦资金的投入就达到300亿美元，约为欧洲国家投入的10倍，日本的20倍；根据相关全球生物技术统计数据显示，美国2008年毛收入达到661.2亿美元，占全球生物技术毛收入的73.8%。从就业、收益、上市公司数量和市值看，美国的生物技术产业都是蒲州的3倍左右。目前美国已经拥有世界上最高的研究水平、最成熟的生物技术产业、最多的从业人员和最大的产业利润。

英国的生物技术产业居全球第二。目前欧洲1/3的生物技术公司位于英国。英国政府对生物技术产业寄予厚望，认为是典型的知识经济，是英国的优势所在及其英国产业的未来。2006年英国已经有生物技术专业企业435家，直接从业人员接近2.2万人，绝大多数都是高技术的技术人员，年销售额30亿英镑，研发费用达10亿英镑。

德国是欧洲第一经济大国，对科技一贯十分重视，生物技术及产业的发展也取得了引人瞩目的成绩。在联邦政府的引导下，德国在生物技术领域的投资逐年递增，已经超过了每年10亿欧元。2007年德国生物技术风险投资更高达2.94亿欧元，比2006年增加了22%，1/3的德国公司得到了风险投资公司的资助。

日本是经济高度发达的资本主义国家，其电子和半导体产业处于世界领先地位。最近这些年，世界生物技术产业迅猛发展，极大的推动了社会生产力的发展，引起了包括日本在内的众多国家的重视。日本前期没有对生物技术进行足够的重视，其生物技术产业的发展远远落后与美国和欧盟。日本为了使本国生物技术赶超美国和欧盟，20世纪90年代中期以来，日本开展了一促进生物技术产业发展为核心的一系列变革，制定各种政策法规，并将生物技术产业上升到国家战略高度。

韩国在消费性电子产业和重工业中发展不错，1992年韩国开始实施“国家生物科技研发计划”。此后又实施了“Biotech2000”规划，通过该规划的实施，韩国政府对生物技术科技领域的研发费用投入达43000亿韩元（约合43亿美元），

进一步提升韩国的生物科技竞争实力。

印度是当前经济增长速度最快的国家之一，也是第三世界国家中的科技大国，计算机制造、软件设计、导弹设计开发等方面在世界高科技领域占有重要地位，为世界第二大软件出口国、第四大药物生产国。印度始终把生物技术产业作为颇具成长潜力的新兴产业重点扶持。2007年印度正式公布了《国家生物技术发展战略》，明确提出了进一步加速生物技术及产业发展的措施。

五. 生物技术----让生活更美好

5.1 生物技术与医药

历史上天花、霍乱、鼠疫、流感等烈性传染病曾大规模流行，夺走无数人的生命。疫苗的发明彻底的改变了这种情况。控制传染病最主要的手段就是预防，而接种一面呗认为是最行之有效的措施。随着生物技术的发展，现代的疫苗种类繁多，名称各异。从20世纪80年代中期开始，DNA 从组技术的日益成熟为制造新一代的从组疫苗提供了崭新的方法，也叫做“生物技术疫苗”，主要就是利用现代生物技术制备的分子水平的疫苗。引起全世界关注的艾滋病病毒（HIV ）疫苗的发展也取得了很多进展。HIV 疫苗被认为是预防艾滋病的最有效工具。2009年9月，美国和泰国的研究人员对两种原有疫苗混合而成的新疫苗进行了测试，整个实验有1.6万名志愿者参加，结果表明，这种疫苗可使接种者的感染风险降低31%。这是研究人员首次证明疫苗能预防艾滋病病毒感染。

药物在人类对抗疾病的过程中一直发挥了主力军的作用。药物是指用于预防、治疗和诊断或用于调节机体生理功能，促进集体康复、保健的物质。自1982年基因从组人胰岛素上市以来，生物技术药物迅猛发展，成为另一新的制药工业门类。现代生物技术是一项与医药产业互相结合极为密切的高技术，不仅可以大量生产廉价的防止人类重大疾病及疑难病毒的新药，而且使制药工业产生重大变革。通过对活性蛋白和多肽类的研究，可以治疗严重威胁人类健康的重大疾病，如癌症、病毒性疾病、心血管疾病和内分泌疾病等，相信随着生物技术的发展人类能战胜绝大多数的疑难病症。

在疾病诊断方面，传统的传染性疾病诊断一般根据临床症状判断，或者是对病原微生物进行分离培养，再对培养物进行生理生化监测，该方法时间长、成本高、速度慢、效率高。随着现代生物技术的发展，如单克隆抗体技术、PCR 技术、DNA 序列分析技术等，这些新技术使得疾病诊断变得快速、灵敏、简单。

以破解人类遗传和生老病死之谜，解决人类健康问题为目的的人类基因组计划，使得人类第一次在分子水平上全面认识自我，对人类自身的生存和发展具有重要的意义。1986年美国科学家、诺贝尔奖获得者R.Dulbecco 在《科学》杂质上发表了一篇题为“癌症研究的转折点----测定人类基因组序列”的文章，指出

癌症和其他疾病的发生都与基因有关。

5.2生物技术与农业

自1996年转基因作物首次商业化以来，转基因作物种植面积累计达到近10亿公顷，增长了80倍，转基因技术因此成为农业近代史上利用最快的作物技术。ISAAA 报告显示，去年25个国家的1400万农民种植了1.34亿公顷转基因作物，面积比上一年增长7％，其中90％的农民来自发展中国家的小型农户。美国（6400万公顷）、巴西（2140万公顷）、阿根廷（2130万公顷）分列转基因种植面积的前三位，中国（370万公顷）居第六位。种植面积最大的主要转基因作物有4种，其中转基因大豆首次占全球9000万公顷面积的3/4，转基因棉花占全球3300万公顷的近半，转基因玉米超过全球1.58亿公顷的1/4，转基因油菜超过全球3100万公顷的1/5。全球21％的转基因作物具有复合基因，被11个国家推广，其中8个为发展中国家。

农药，包括杀虫剂、除草剂、杀菌剂等，已经成为现代农业生产中不可或缺的生产资料，但是化学农药的大量使用不可避免的给人体和生态化境带来不利影响。随着生物技术的发展，利用微生物技术胭脂的微生物农药、微生物化肥在农业上已广泛开始使用微生物农药对人畜无害，不会在土壤中残留，不污染环境，选择性较强，不杀伤天敌，不易使害虫产生抗药性，有利于生态平衡等优点。

5.3生物技术与环境

人类社会的发展创造了前所未有的文明，但同时也带来了血多生态环境问题。由于人口的快速增长、自然资源的大量消耗，全球环境状况目前正几句恶化，如大气污染问题、水环境问题、垃圾处理问题、荒漠化处理问题、水土流失问题和有毒有害化学问题等均是我们当前面临的、且需要解决的问题。现代生物技术向环境科学与工程的渗透促进环境生物技术的产生，给人们治理、修复和监控环境污染提供了强有力的武器，同时也形成了一些颇具特色的应用技术，主要包括：环境污染监控技术、污染物的微生物降解技术、污染场地的生物修复技术、环境友好材料的生物合成技术和固体废物强化处理技术等，这些技术不仅使得自然界生物的净化功能得以最大限度的发挥，而且对改善现在的环境质量，解决现时的环境污染难题祈祷了及其重要的作用。

5.4生物技术与食品

食品生物技术发展伴随这生物技术的发展，经历了漫长的历史过程。追溯到几千年前，人们就懂得利用天然发酵制造面包、奶酪、葡萄酒和啤酒。100年前人们就进行代谢控制发酵生产柠檬酸、多糖、氨基酸、维生素、乙醇等食品。而现在，由于DNA 双螺旋结构的发现，催生了现在生物学，引发了以DNA 重组技术和细胞融合技术为代表的现代生物技术。现代生物技术应用与食品资源的改造，

应用于改进食品的加工和贮藏，应用于新食品的开发，应用于食品的分析和微生物的监测。相信在以后的日子里，生物技术在食品生产相关领域如生产、包装、食品检测等方面会得到越来越广泛的应用。

5.5 生物技术与能源

目前整个人类发展和工农业生产，几乎都是依赖与有限的化石能源。随着地球上化石能源的不断消耗，寻找、改善及提高可再生能源的利用率和发明创造新技术以最大限度的开采不可再生能源的做法很可能是今后几十年内的有效措施。目前利用生物技术提高不可再生能源的开采率及创造更多的可再生能源是提高产能的有效技术之一。利用微生物提高原有采收率技术来开发石油资源，已成为生物技术发展的主导之一。利用生物技术生产生物能源如燃料乙醇、生物柴油等，及能源开采、加工生产过程中使用的生物技术，是目前世界能源结构进行战略性改变的一个重要方面。生物质是比较理想的清洁能源，它包括生物质能、生物液体燃料及利用生物质生产的能源如燃料乙醇、生物柴油、生物质气化及液化燃料、生物制氢等。为解决能源危机，世界各国均已投入研究开发清洁的新能源的热潮中。生物技术将在清洁能源的开发和发展中崭露头角。

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