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生物工程,是利用有生命物質作為手段來參於改造自然現象的過程,對象可以是無生命物質,例如發酵工程、酶工程等等;或以生物為對象,人為地改造生命現象的過程,例如醫學工程、農業工程、細胞工程、基因工程等等。仿生學雖然不是利用生物作為手段,但也是通過深入了解生命現象的規律來解決工程技術問題,也可屬於廣義的生物工程學範疇之內。即凡是以有生命物質作為手段來影響或改變無生命現象,或用各種自然科學的方法、技術來影響或改變有生命現象的自然過程,以達到為人類服務的目的,都可以包含在生物工程範疇之內。

1 生物工程 -概述

生物工程生物工程

生物工程是利用生命物質作為手段來參與改造自然現象的過程,有廣義生物工程和狹義生物工程之分。廣義的生物工程包含以非生命物質為對象的分子水平工程,如發酵工程、酶工程等;以生物為對象的生物醫學工程、農業工程、細胞工程、基因工程等;甚至仿生學也可列入生物工程的範疇。按照結構水平來劃分,有分子水平的酶工程、蛋白質工程、基因工程,有細胞水平的細胞工程,有群體水平的農業工程中的大部分內容。其中生物醫學工程領域包括生物信息的檢測與分析(生物醫學儀器的研究與開發)、康復醫學(人工器官)、基礎生物醫學工程(物理因素對機體的作用、生物力學、生物醫學材料學、生物控制論等)。

狹義的生物工程指「生物技術」或「生物工藝學」,包括細胞工程、基因工程、蛋白質工程和酶工程。其中細胞工程的主要內容是細胞融合和核移植,向下可分為染色體工程、染色體組工程、細胞質工程等。狹義生物工程的核心是分子生物學技術。

生物工程,是20世紀70年代初開始興起的一門新興的綜合性應用學科,90年代誕生了基於系統論的生物工程由上(海·雅)曦(國·際)斯諾(美·授)權生(物·醫)學技(術·服)務中(心·A11)部提供,即系統生物工程的概念所謂生物工程,一般認為是以生物學(特別是其中的微生物學、遺傳學、生物化學和細胞學)的理論和技術為基礎,結合化工、機械、電子計算機等現代工程技術,充分運用分子生物學的最新成就,自覺地操縱遺傳物質,定向地改造生物或其功能,短期內創造出具有超 遠緣性狀的新物種,再通過合適的生物反應器對這類「工程菌」或「工程細胞株」進行大規模的培養,以生產大量有用代謝產物或發揮它們獨特生理功能一門新興技術。

利用有生命物質作為手段來參於改造自然現象的過程,對象可以是無生命物質,例如發酵工程、酶工程等等;或以生物為對象,人為地改造生命現象的過程,例如醫學工程、農業工程、細胞工程、基因工程等等。仿生學雖然不是利用生物作為手段,但也是通過深入了解生命現象的規律來解決工程技術問題,也可屬於廣義的生物工程學範疇之內。即凡是以有生命物質作為手段來影響或改變無生命現象,或用各種自然科學的方法、技術來影響或改變有生命現象的自然過程,以達到為人類服務的目的,都可以包含在生物工程範疇之內。

生物工程的範圍非常廣,可以根據生物的不同結構層次來劃分為許多分支分:子水平,如酶工程、基因工程;細胞水平,如細胞工程;器官或整體水平,如醫學工程中的大部分內容;群體水平,如農業工程中的大部分內容。

生物工程生物學

2 生物工程 -生物醫學工程

以人為對象的生物工程,也稱「醫學工程」。生物醫學工程,是在電子學、計算機科學、高分子化學、力學、近代物理學與各種新技術發展的基礎上,並在它們與醫學滲透、結合的條件下發展起來的。因此,自然科學與技術科學的發展,必然大大推動生物醫學工程的不斷發展。反過來,生物醫學提出的問題,又會促進這些學科不斷發展。

生物醫學工程是綜合運用現代自然科學和工程技術的相應理論和方法,從工程學的角度深入研究人體的結構、功能及其相互關係,以解決醫學中的有關問題的一門新興邊緣學科。與其他學科不同,生物醫學工程側重「從工程學的角度」和「解決醫學中的問題」。為了研究人體正常生理狀態與病理狀態及其間的差異,要利用現代自然科學和技術科學來深入了解機體各層次的成分、結構及功能。研究中緊緊圍繞著解決醫學問題這一目的,也就是為了徹底查明和盡量縮小病理狀態和正常狀態之間的差異。

生物醫學工程可以分為應用與基礎兩大部分。應用生物醫學工程又包含很多方面:從醫學的角度來看,可以分別應用於臨床醫學、康復醫學及基礎醫學;從工程學的角度來看,可對應於技術科學或自然科學的不同學科。在進行生物醫學工程研究時,可以直接檢測生物自身發出的各種信息,加以分析,也可通過外界因素對機體作用而獲得生物結構和功能的知識,外界因素還可作為一種能量來源,作為診斷或治療的手段。

3 生物工程 -生物成分和結構的分析

生物工程生物工程

通過外界因素的作用,觀察人體各種類型的反應,以分析生理和病理狀態下的狀況。生物物質的組成成分,可利用各種類型的光譜、磁共振和其他波譜技術,對離體樣品或對活體進行分析,以至做在位微區分析。如利用近紅外光譜技術,配合以複雜光譜數據的多變數統計方法,可望不必抽血而對人的血脂進行無損測量。急性淋巴性白血病患者血清的電子自旋共振譜,比正常人在低場方向多一個吸收峰。由於製造出大容積的超導磁體,可放入人體並測出任何部位的高分辨核磁共振譜,以監測在正常及疾病時各器官的代謝,如取得移植前腎臟代謝狀態的信息。對亞細胞及分子層次的分析,要先利用色譜、離心、質譜等方法進行分離提純,或用各種顯微光譜技術直接分析。對生物大分子的氨基酸或核苷酸組成也發展了順序分析方法。生物結構的分析,可在不同層次進行。

器官水平的可用放射性同位素體外顯像的方法進行掃描或照像。B 型超聲斷層顯像,是目前超聲診斷的最主要方法,能適時顯示人體內組織、器官的形態,可用來診斷2毫米大小的原發性肝癌及胰腺瘤等。計算機輔助斷層掃描顯像術(CT)將不同角度的投影數據進行處理,重建成橫斷層圖像。臨床用的X射線CT,其空間解析度已達1毫米以下,高速X射線CT 已可進行心臟動態觀察。利用正電子發射核素可以標記體內各種化合物或其代謝產物,故正電子發射CT可反映人體的生理、病理及代謝狀況,是研究腦功能的有力手段。超聲CT也正在發展中。核磁共振CT通過氫、磷、鈉等核的分佈顯示人體內部的形態,了解局部的生理、生化信息。其空間解析度不斷提高,1986年利用磁場強度為9.5特斯拉 89毫米直徑的高解析度核磁共振譜儀,已得到一種蟾蜍卵的單個細胞的核磁共振像。採用激光或超聲,根據多卜勒頻移效應,可測量血管或心臟內的血液流速、流量、流向及血管內的通、斷,心臟瓣膜的運動狀況;可診斷大腦血流狀態,用於診斷、預防中風;還可測量胎兒的活動。細胞水平和亞細胞水平的結構可用各種光學顯微術或電子顯微術來分析。超聲顯微鏡的解析度有可能超過光學顯微鏡,優於0.5微米。

掃描隧道顯微術是一種觀查樣品表面的光學顯微技術,已可達電子顯微鏡的解析度。對於顯微鏡樣品的連續切片,或用光學聚焦的方法得到透明樣品不同深度的顯微圖像,可用計算機技術進行三維重建,得到樣品形態的三維圖像。已採用模式識別與計算技術對細胞或染色體的形態作自動分析,前者已有儀器用於癌症普查。由於採用多種光譜和波譜技術已得到了細胞膜的分子動力學過程的大量知識。還廣泛利用 X射線或中子對生物大分子的結構作散射、衍射分析。   

4 生物工程 -現代生物工程技術

現代生物技術(生物工程)是指對生物有機體在分子、細胞或個體水平上通過一定的技術手段進行設計操作,為達到目的和需要,以改良物種質量和生命大分子特性或生產特殊用途的生命大分子物質等。包括基因工程、細胞工程、酶工程、發酵工程,其中基因工程為核心技術。由於生物技術將會為解決人類面臨的重大問題如糧食、健康、環境、能源等開闢廣闊的前景,它與計算器微電子技術、新材料、新能源、航天技術等被列為高科技,被認為是21世紀科學技術的核心。目前生物技術最活躍的應用領域是生物醫藥行業,生物製藥被投資者認為是成長性最高的產業之一。世界各大醫藥企業瞄準目標,紛紛投入巨額資金,開發生物藥品,展開了面向21世紀的空前激烈競爭。 
生物技術的發展可以劃分為三個不同的階段:傳統生物技術、近代生物技術、現代生物技術。傳統生物技術的技術特徵是釀造技術,近代生物技術的技術特徵是微生物發酵技術,現代生物技術的技術特徵就是以基因工程為首要標誌。本文所說的生物技術,是指現代生物技術,也可稱之為生物工程。現代生物技術在70年代開始異軍突起,近一、二十年來發展極為神速。它與微電子技術、新材料技術和新能源技術並列為影響未來國計民生的四大科學技術支柱,被認為是21世紀世界知識經濟的核心。 
生物技術的應用範圍十分廣泛,主要包括醫藥衛生、食品輕工、農牧漁業、能源工業、化學工業、冶金工業、環境保護等幾個方面。其中醫藥衛生領域是現代生物技術最先登上的舞台,也是目前應用最廣泛、成效最顯著、發展最迅速、潛力也最大的一個領域。 
生物技術在醫藥衛生領域的應用主要有以下三個方面: 
1.是解決了過去用常規方法不能生產或者生產成本特別昂貴的藥品的生產技術問題,開發出了一大批新的特效藥物,如胰島素、干擾素(IFN)、白細胞介素-2(IL-2)、組織血纖維蛋白溶酶原激活因子(TPA)、腫瘤壞死因子(TNF)、集落刺激因子(CSF)、人生長激素(HGH)、表皮生長因子(EGF)等等,這些藥品可以分別用以防治諸如腫瘤、心腦肺血管、遺傳性、免疫性、內分泌等嚴重威脅人類健康的疑難病症,而且在避免毒副作用方面明顯優於傳統藥品。 
2.是研製出了一些靈敏度高、性能專一、實用性強的臨床診斷新設備,如體外診斷試劑、免疫診斷試劑盒等,並找到了某些疑難病症的發病原理和醫治的嶄新方法。中國的單克隆抗體診斷試劑市場前景良好。
3.是基因工程疫苗、菌苗的研製成功直至大規模生產為人類抵制傳染病的侵襲,確保整個群體的優生優育展示了美好的前景。中國開發重點是乙肝基因疫苗。
現代生物技術以再生的生物資源為原料生產生物藥品,從而可獲得過去難以得到的足夠數量用於臨床的研究與治療。如1克胰島素(h-Insulin)要從7.5公斤新鮮豬或牛胰臟組織中提取得到,而目前世界上糖尿病患者有6000萬人,每人每年約需1克胰島素,這樣總計需從45億公斤新鮮胰臟中提取,這實際上辦不到的,而生物技術則很容易解決這一難題,利用基因工程的"工程菌"生產1克胰島素,只需20升發酵液,它的價值是不能用金錢來計算的。 

 

5 生物工程 -生物信息的檢測與分析

人體本身發出各種不同性質的微弱信號,有生物電(心電、腦電、肌電等),生物磁(心磁、腦磁)、熱輻射、生物發光等。用各種手段來探測、分析這些信號,有助於了解生理及病理狀況,找出診斷某些疾病的客觀指標。例如用模式識別技術對心電圖作計算機分析,可診斷不同類型的心臟疾患,監護和警告嚴重發病。

某些物理因素作用於人體,可起到治療作用。如電磁場能促進創傷或骨折癒合。激光可使機體組織凝固、變性、氣化,可用於切除病變組織;也可用於照射穴位,如通過內窺鏡作用於體內,還可配合光敏化劑而有選擇地作用於某一病灶。可用微波熱圖術通過測量皮下溫度異常來診斷有關疾病,微波成像可觀察肺部水腫、氣腫。微波加熱療法已用於臨床治療腫瘤。   

6 生物工程 -康復醫學

各種人工器官是應用生物醫學工程的重要內容,如腎、肝、心臟瓣膜、心臟、假肢、血管、皮膚、人工腎等。如1982年美國一位病人植入人工心臟活了112天;1984年11月植入的一例人工心臟工作了620天;1986年在歐美7個國家共做了43例。

基礎生物醫學工程  

要了解外界物理因素對機體的醫療作用及危害,必須知道像激光、超聲、電磁波等能量在體內的傳播、分佈,以及在各結構層次上的生物效應和作用的機理。生物力學,用力學方法及觀點研究生命系統,形成了肌肉、骨骼的力學和生物流變學等分支,對了解某些組織損傷及循環系統疾病的機理及確定治療方法,對人工臟器及假肢的設計,都有重要意義。生物醫學材料學,研究各種醫用特殊材料的結構、性能及與機體的相互作用。生物控制論,對一定的生物結構層次,從整體的角度用綜合的方法來定量研究其動態過程,可加深對生命現象及病理、治療作用的了解。這些分支及有關內容,顯然是應用生物醫學工程的基礎,它們與一些相近的學科如生物物理學等略有交叉。

生物醫學工程的各部分內容是有機聯繫著的。例如人工心臟就要以生物醫學材料、血液流體力學等為基礎,要檢測循環生理參數,並充分利用先進的電子學和自動控制等技術才能製成。

「生物技術」或「生物工藝學」 

生物工程生物工程

「生物工程」一詞,也有人常與biotechnology(譯作「生物技術」,「生物工藝學」)連用,用於細胞及分子水平。除了這兩個譯名外,也有人採用生物分子工程、生物細胞工程等名詞。「生物技術」或「生物工藝學」作為生物工程的分支,指的是以細胞或生物大分子為手段來影響或改變無生命物質,合成有用物質;或用各種自然科學的方法、技術來影響細胞或生物大分子來影響或改變有生命物質。「生物工藝學」是指將生物機體,系統或生物過程應用於工業的一門應用科學。釀酒、麵包發酵、制乳酪、製藥、製革等都是傳統的生物工藝學。用微生物轉化有機物質,大規模的發酵生產等生物技術,促進了化學工業、醫藥工業、食品工業的發展。自基因工程出現后,發展了現代生物工藝學。如利用細胞融合、核移植、重組 DNA等技術,使利用微生物的工業,由傳統的發酵工業,推廣到基因工程、細胞工程等,為改造或培養動、植物新品種,製備各種醫用試劑,探診及治療多種疾病,開闢了廣闊的途徑。傳統生物工藝學將微生物學與化學聯繫起來。現代生物工藝學則體現出生物學各分支(如細胞學、遺傳學、生物化學等)與分子生物學的結合。生物工藝學與化學工程學相結合,形成生物化學工程,它涉及以活的細胞或用細胞內提取出的酶作為催化劑來生產工業新產品的過程。生物工藝學的應用,在培育高產優質新品種、製備各種醫用試劑和藥物,探診及治療多種疾病,提高化學工業生產力等方面,在廢物處理及再生資源方面,為國民經濟的發展,可以作出很大的貢獻。現代生物工藝學包含以下幾方面內容:  

7 生物工程 -基因工程

 在分子生物學的基礎上發展起來的技術,通過人工轉移和重組DNA,以增加生命體的基因種類,從而設計和重新安排生命過程。通過這種遺傳操縱技術來培育有新組合性狀的新品種,要比選擇自發突變的方法快幾億倍。如用基因工程的方法將胰島素基因導入大腸桿菌細胞,已成功生產出胰島素(見重組DNA技術)。   

8 生物工程 -細胞工程

採用細胞融合或核移植等方法,不需分離、提純基因,直接把外來基因轉移到受體細胞內,以產生兼有雙親細胞性狀的新細胞,培養出生物新品種。以細胞融合和細胞培養技術為基礎,可製備出高度專一和化學結構單一的單克隆抗體,在生物和醫學基礎研究以及疾病的診斷、預防和治療中成為有力的工具。有人又分為染色體工程、染色體組工程、細胞質工程、細胞融合工程、細胞拆合工程等。  

9 生物工程 -酶工程

簡而言之,酶工程就是將酶或者微生物細胞,動植物細胞,細胞器等在一定的生物反應裝置中,利用酶所具有的生物催化功能,藉助工程手段將相應的原料轉化成有用物質並應用於社會生活的一門科學技術。它包括酶製劑的製備,酶的固定化,酶的修飾與改造及酶反應器等方面內容。酶工程的應用,主要集中於食品工業,輕工業以及醫藥工業中。

10 生物工程 -蛋白質工程

在蛋白質空間結構、動力學和結構與功能關係研究的基礎上,可以設計新的氨基酸序列以改變蛋白質結構。通過對其編碼基因的修飾和基因工程的途徑,就可製造出自然界中不存在但卻具有人們所期望性質的新型蛋白質分子。

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