摘要:本文对生物技术目前在国内外的主要应用领域作了一个阐述, 简单回顾了微生物技术的发展历史及为此付出辛勤汗水的科学家,并在此基础上对微生物技术的发展前景做了一个展望 .

关键词: 生物技术

前言: 何谓生物技术,简单地说,就是通过对生命活动和生物系统的改造和利用，来满足人类生活和社会发展需求的相关技术。生物技术不仅仅是一门与生命科学相关的技术，还包含设备、工艺等工程学内容，是一门涉及多学科的综合性技术体系。生物技术是微生物学、分子生物学、化学工程、材料科学等多学科交叉的综合性学科。高技术(精细和密集的复杂技术)、高投入(尤其是前期科研投入高)、高利润是生物技术产业的显著特点。

两个定义:

1.       1982年，国际合作与发展组织对生物技术的定义为：生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术。

2.       美国政府技术顾问委员会(OAT)对生物技术的定义是：应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术，还包括改良有重要经济价值的植物与动物和利用微生物改良环境的技术。 [1]

经过20多年的发展，生物技术已经从实验研究阶段进人生产应用阶段，其前景是诱人的，也是无限广阔的。可以预测，生物技术的应用与发展将导致生产体系与经济结构的飞跃变化。现代生物技术及其产业的兴起和发展，是20世纪人类科技史上重大进步，并成为解决人类社会面临的人口、健康、食品和环境等重大挑战的最有潜力的技术手段。[2]生物技术已经成为许多国家科技研发投入的重点,成为国际科技、经济竞争的焦点，以现代生物技术产业为核心的生物经济已经初露端倪，将成为继信息产业之后的又一个新的经济增长点,它也正日益成为衡量一个国家综合国力的指标.21世纪被称为生命科学和生物技术的时代，生物技术在医疗卫生、农业、环保、轻化工、食品保健等重要领域对改善人类健康状况及生存环境、提高农牧业以及工业的产量与质量都正在发挥着越来越重要的作用。目前生物技术(Biotechnology,  BT)已经成为现代科技研究和开发的重点。虽然由于研发成本高等原因，近期内生物技术产业本身还无法实现全面的赢利，但随着它的日益普及，这一天也为期不远了。

1. 生物技术发展历史回顾

微生物技术从古代起就已经被人类下意识地用来处理生活中的问题,有证可查的应用历史已达一两千年之久，而人类有意识地利用酵母进行大规模发酵生产是在19世纪。当时的主要产品有乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等初级代谢产物。以1928年青霉素的发现为开端，到20世纪40年代，以获取细菌的次生代谢产物-抗生素为主要特征的抗生素工业成为生物技术产业的支柱产业；随后氨基酸发酵、酶制剂工业分别在50年代和60年代成为生物技术产业的新成员。本世纪七十年代科学家们在生命科学领域创造了两项对人类生活和经济活动具有深刻影响的技术，一个是重组DNA技术，一个是淋巴细胞杂交瘤技术。这两项技术的出现，使得具有悠久历史的生物技术发生了革命性的变化，重组DNA技术的出现更成为现代生物技术诞生的标志。19世纪近代生物学的三项伟大成就，即细胞学说、达尔文生物进化论和孟德尔遗传定律，为生物技术的发展奠定了重要基础。1953年沃森和克里克创立了脱氧核糖核酸（DNA）双螺旋模型，开创了从分子水平揭示生命现象本质的新纪元。在近20多年的时间里，多种新技术不断涌现，80年代建立了细胞大规模培养技术、动植物转基因技术、PCR（聚合酶链反应）技术；90年代，随着人类基因组计划和其它重要动植物和微生物基因组计划的实施和信息技术的渗入，相继发展了基因组学、生物信息学、组合化学、生物芯片技术以及一系列自动化分析测试和药物筛选技术与装置。

这一系列的技术创新和学科发展不仅是科学家们思想智慧的结晶,它更推动着现代生物技术以前所未有的速度向前发展，并成为解决我们所面临的人口、健康、食品、环境等重大问题的有效手段。

附:现代生物技术发展史上的重要事件[3]

年代                          事件

1917            Karl Ereky首次使用“生物技术”这一名词

1943            大规模工业生产青霉素

1944            Avery等证明DNA是遗传物质

1953            Watsom Crick阐明DNA双螺旋结构

1961-1966       破译遗传密码

1970            分离出第一个限制性内切酶

1972            Khorana等合成完整tRNA基因

1973            Boyer和Cohen建立了DNA重组技术

1975            Koher 和 Milstein 建立了单克隆抗体技术

1976            DNA测序技术诞生，第一个DNA重组技术规则问世

1978            Genetech公司在大肠杆菌中表达出胰岛素

1981            第一台商业化生产的DNA测序仪诞生

1982            第一个重组DNA动物疫苗在欧洲获得批准

1983            基因工程Ti质粒用于植物转化

1988            PCR方法问世

1990            美国批准第一个体细胞基因治疗方案

1997            第一只克隆羊问世

1998            美国批准艾滋病疫苗进行人体试验

2000                                   人类基因组测序“工作草图”完成

2. 生物技术的主要应用

2.1 应用于解决人类食品短缺

由于人口的不断增加, 全球耕地减少、淡水紧张、环境污染、人类可利用的资源将越来越少。食品问题将是人类未来面临的严重问题，将会影响各个国家的内外政策。生物技术领域中，转基因技术等将引起一场新的农业革命。传统的绿色农业（动植物资源农业）和新兴的白色农业（微生物资源）、蓝色农业（海洋生物资源）、工厂化农业（人工合成粮食）将共同构成未来农业的模式，并为人类提供品种各异、营养丰富的食品资源。

2.2 解决人类健康长寿问题

随着科技、经济文化、社会的不断发展，人类对自身认识的要求越来越迫切，对生存和生命的价值越来越重视，对卫生保健，身心素质的要求越来越高。生命科学及生物医学的高度发展，为人类了解和调控生命过程，认识和控制疾病，保证和维护身体健康，造就和谐健康的生存环境创造了条件和手段。如欧美发达国家，癌症治愈率已近50%；心脑血管病的死亡率在20年间下降了40%～55%，平均寿命达到了70～80岁。用基因工程技术生产的甲肝疫苗、乙肝疫苗、人胰岛素、熔葡萄球菌素、白细胞介素等药物以及抗白血病等“生物导弹”（单克隆抗体与抗癌药物的偶联体，比单纯药物的疗效高12倍）制剂的研制成功与利用；都为此作出了贡献。此外，随着对癌症。心脑血管疾病、艾滋病等重大疾病的发病机制及防治技术方法的研究和认识不断深化，人类终将在本世纪初战胜这些疾病。预计，2020年人均寿命可达100岁，而年轻人的寿命可延长到140岁。[4]

2.3 解决能源危机与环境污染

人类文明发展带来的能源消耗与日俱增，地球上的石油能源终将枯竭，代之而起的将是生物能。当今，最受科学界宠爱的当属生物量。一株植物的全部质量都是能量的来源，此即所谓生物量。在解决能源危机上：我们知道煤炭、石油等能源物质的地下储量是固定的，随着人类不断地开采利用，迟早会导致它们的枯竭。因此，寻找新能源，就成为人们关注的新课题。我们又知道，绿色植物的光合作用能将太阳能转变为贮存于自身体内有机物中的化学能。据推算，我国土地受光面积每年接受的太阳能，相当于16450亿吨煤的能量。当然，这些太阳能不可能全部被绿色植物所利用，绿色植物也不可能全部都用来解决能源问题。尽管如此，如果将植物残骸中的化学能释放出来，也不失为补充能源不足的一种新途径。如：以纤维素为原料，用微生物生产酒精，混入不同比例的汽油作为动力燃料等等，都是大有发展前途的举措。在环境保护上：随着工业化程度的发展，环境受到了废水、废气和废渣的威胁；农田杀虫剂、除莠剂的使用，会对土地、河流造成污染；城市化川流不息的汽车以及城市居民生活垃圾等，也不容忽视。总之，防治环境污染是亟待解决的重大课题，而生物科学的作为是极重要的一个方面。例如，植树造林选用哪些树种较为理想？清除有毒物质，特别是处理污水，利用哪些微生物较为有效？生物学是农、林、医等方面的理论基础，我们学习生物学要用于生产和生活实际，合理利用有益的生物，防除和改造有害的生物；在了解生物与环境关系的基础上，要熟悉、利用和保护本地区的动植物资源，防止环境污染。[5]研究表明，每年所有植物形成的生物物质；可折合1000亿吨石油，相当于目前全世界能耗的50倍。用遗传工程创造的多功能“工程菌”，能够分解纤维素、木质素等。即，它“可以利用稻、木屑、秸杆与食物下脚料生产出酒精。至于净化环境，微生物处理污水已应用于工业体系。

3. 生物技术研究应用的前沿领域

3.1功能基因组学和蛋白质组学

自从人类基因组计划启动以来，公共媒体不断向大众勾画着一幅幅美丽的图景，这使人们认为，一旦科学家把各种生物基因组的全部碱基排列顺序测定清楚，生命的遗传奥秘就会显露无余。但是，真实情况远不像人们想象得那样简单。遗传信息并不直接参与生命活动，而是通过控制蛋白质的形成间接地指导有机体的新陈代谢。也就是说，一个基因所含的遗传信息，通过一系列复杂的反应，最终导致了相应的蛋白质形成，蛋白质再参与到生命的各种活动中去。所以，要想真正揭开遗传的奥秘，仅仅了解基因组的碱基排列顺序是远远不够的，还必须认识各个基因所表达的生物学意义以及它控制形成的产物——蛋白质。因此功能基因组学理所当然地成为当今生物学研究领域的热点。而作为基因功能载体的蛋白质则是生命活动的执行体，人类基因组绝大部分基因及其功能都有待于在蛋白质层面予以揭示和阐述。蛋白质组学就是在人类基因组计划研究发展的基础上形成的新兴学科，主要是在整体水平上研究细胞内蛋白质的组成及其活动规律。人类细胞中的全部基因称为基因组，由全套基因组编码控制的蛋白质则相应地被称为蛋白质组。人类基因可能有3万多个，而每个基因控制的蛋白质则从数个到数十个不等，人体蛋白质数远比基因多得多。无论是正常的生理过程还是病理状态过程，身体的异常最直接的体现是蛋白质，所以人们研究基因、研究基因组之后感觉到，只有搞清楚蛋白质和蛋白质组，人们才有可能更多地去发现疾病的诊断标志、疾病的预防标志、疾病药物筛选的靶标和疾病治疗的靶标。科学家认为，人类基因组、蛋白质组和药物是生命科学研究路上的三个阶段。但绘制人类蛋白质组图是一项艰巨的任务。它需要数亿美元的投资和无数次计算。分子对比能说明全部问题：人类基因组是由DNA——只含有4种碱基的简单的线性分子。而蛋白质是由20种被称为氨基酸的不同成分组成的复杂结构。

3.2 克隆技术与干细胞

自1997年由取自一只6岁成年羊身上的乳腺细胞培育成功的克隆羊“多莉”在英国问世以来，克隆技术获得了空前的发展，克隆鼠、克隆牛、克隆猪、克隆猫、克隆猴等相继问世，这些成功使人们看到了利用克隆技术培育优良品种家畜以及挽救濒危珍惜野生动物的可能性。不过克隆技术最大的应用可能还在医学领域：利用克隆技术培育人类胚胎，使其发育成各种组织和器官，以供医疗或研究之用。而这又牵扯出另一重要的技术领域，即干细胞的研究。

干细胞是指动物体在发育过程中，体内所保留的部分未分化的细胞。干细胞根据其分化潜能的大小，可以分为三类：一类是全能干细胞，它具有形成完整个体的分化潜能。如胚胎干细胞，它具有与早期胚胎细胞相似的形态特征和很强的分化能力，可以无限增殖并分化成为全身200多种细胞类型，从而可以进一步形成机体的任何组织或器官。第二类是多能干细胞，它具有分化出多种细胞组织的潜能，但却失去了发育成完整个体的能力。第三类称为专能干细胞，只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化。[6]

干细胞的用途非常广泛，涉及到医学的多个领域。目前，科学家已经能够在体外鉴别、分离、纯化、扩增和培养人体胚胎干细胞，并以这样的干细胞为“种子”，培育出一些人的组织器官。干细胞及其衍生组织器官的广泛临床应用，将产生一种全新的医疗技术，也就是再造人体正常的甚至年轻的组织器官，从而使人能够用上自己的或他人的干细胞或由干细胞所衍生出的新的组织器官，来替换自身病变的或衰老的组织器官。假如某位老年人能够使用上自己或他人婴幼儿时期或者青年时期保存起来的干细胞及其衍生组织器官，那么，这位老年人的寿命就可以得到明显的延长。美国《科学》杂志于1999年将干细胞研究列为世界十大科学成就的第一，排在人类基因组测序和克隆技术之前。

鉴于干细胞在未来医疗、尤其是器官移植领域的巨大应用前景，世界各国，尤其是发达国家都开展了这方面的探索研究，并取得了一些成就。如德国科学家在用脐带血干细胞治疗中风综合征研究方面取得重要进展。动物试验表明，接受干细胞疗法治疗的试验鼠病情明显好转。此外，新加坡国立大学医院和中央医院通过脐带血干细胞移植手术，根治了一名因家族遗传而患上严重的地中海贫血症的男童，这是世界上第一例移植非亲属的脐带血干细胞而使患者痊愈的手术。

关于干细胞研究的大事记：[7]

1969年第一例骨髓干细胞移植（获1990年诺贝尔医学和生理学奖）

1998年建立了人类胚胎干细胞系

1999年干细胞研究进展被《Science》杂志评选为该年度世界十大科学成就之首。

1999年中国成立多个干细胞研究中心。

2000年5月，日本以干细胞工程列为医学核心技术

2001年1月，英国议会上院通过法案，允许科学家克隆人类早期胚胎并用于医疗研究。

2001年2月，中、英等国宣布开展新生儿脐带血干细胞储存服务

3.3 转基因生物

转基因技术是指利用分子生物学手段，将某些生物的基因转移到其他生物物种上，使其出现原物种不具有的性状和产物，以转基因生物为原料加工生产的食品就是转基因食品（Genetically  Modified  Food，简称GM  Food）。目前转基因技术已基本趋于成熟，尤其是在转基因植物方面，它之所以没有得到更大规模的发展，主要原因是人们对其安全性仍有担心，如转基因食品是否对生物体有害以及它是否会改变自然环境，从而破坏生物多样性等等。不过尽管如此，自1983年英国培育出世界上第一种含有抗生素药类抗体的基因移植烟草以及1993年美国将世界上第一种转基因食品——保鲜延熟型西红柿投放市场以来，转基因技术仍然获得了空前的发展。目前已有转基因大豆、玉米、棉花、油菜、南瓜、木瓜、马铃薯、番茄、甜菜等几十种作物投入商业种植。其中，前四种转基因作物占据主导地位。并且全球转基因作物的种植面积已经从1996年的170万公顷增长到2003年的6770万公顷，种植转基因作物的国家数量也在2003年翻了一番。但目前仍主要集中在6个国家，其中美国占63%，阿根廷占21%，加拿大占6%，中国和巴西各占4%，南非占1%。总体来说，2003年这些国家的转基因作物种植面积占全球种植总面积的99%。专家预计，在今后10年中，转基因作物将会扩展到25个国家，播种面积将达到1亿公顷，将有1000万农民从事转基因作物的种植。[8]

3.4 生物信息学

生物信息学是一门新兴的交叉学科，是伴随基因组研究而产生的，它的研究内容紧随基因组研究的逐步深入而发展。目前，伴随着基因组研究日新月异的快速发展，相关信息出现了爆炸性增长，迫切需要对海量生物信息进行处理。在当前基因组信息爆炸的时代，建立超大规模计算系统，发展全新的生物信息学的理论、方法来分析这些数据，从中获得有用的信息是基因组研究取得成果的决定性步骤。[9]

目前，伴随着基因组研究日新月异的快速发展，相关信息出现了爆炸性增长，迫切需要对海量生物信息进行处理。以Genbank中的DNA碱基数为例，其增长速度呈指数性增长，大约每14个月就会增长一倍，这一增长速度只有计算机运算能力的增长可以与之比拟。所以在当前基因组信息爆炸的时代，建立超大规模计算系统，发展全新的生物信息学的理论、方法来分析这些数据，从中获得有用的信息是基因组研究取得成果的决定性步骤。其次，基因组研究最终是要把生物学问题转化成对数字符号的处理问题。要解决这样的问题就必须发展新的分析理论、方法、技术、工具，就必须依赖计算机的信息处理。

由于生物信息学是一门新兴学科，发展时间不长，因此在该领域我国与发达国家之间的差距并不很大，目前我国在生物信息学研究、DNA测序能力方面已处于世界前列，但与国际上相比，对基因组数据的分析处理和利用能力，包括计算能力则存在较大差距。国外分析这样的海量数据都使用超级计算机，而我们的许多研究工作还依赖于使用能力弱得多的工作站甚至个人电脑。因此与国外相比，国内生物信息研究在使用高性能计算方面还比较薄弱，这必将严重影响我国生物信息学未来的发展水平。

总结:

综上所述,尽管人类有意识地开发生物技术的历史还不长,其起步也较晚,但凭借着生物技术其独有的而又十分重要的作用,在当今社会各项高科技产业中,生物技术占有不可或缺的地位,并且我坚信,在不久的将来,它将在人类生活中发挥更为重要的作用.生物技术的开发与利用不仅能运用与解决当今社会的各大主要问题,如粮食短缺,能源过分消耗,环境污染等日益突出的问题,而且它还能帮助人类攻克各类疑难杂症,延长人类寿命,改善农作物产量提高经济效益,这都真正体现了人类可持续发展战略的伟大精神,对人类的繁衍,对我们的下一代,人类文明的发展都具有长远意义.由于微生物技术的这些独一无二的特点,其开发前景将十分看好,并且凭借其优势地位,它将成为未来社会的主流科技技术之一。

参考文献

[1]佚名,生物技术定义、内容和发展概况, 生命科学导论网,  http://4a.njau.edu.cn/bio/6/1-1-1.htm

[2]朱正威等, 生物技术的应用与展望, 高中生物网,  http://www.pep.com.cn/200406/ca456709.htm

[3]李学勇等,生物技术及其产业的发展回顾与展望, 中国生物技术发展中心网, http://www.cncbd.org.cn/nianbao/2002/chapter0.htm

[4]律妍,生物技术介绍, 青岛国基外语学校, http://www.chinabest1.org/readnews.asp?newsid=594

[5]汪忠教授等, 生物学的发展前景, 初中生物， http://www.ahscyz.net.cn/wsfw/kxg/shengwu/web1/res/seniorbio/teach/bio_3/d0/006.htm

[6]谷竣战, 国外生物技术产业最新发展现状综述（一）, 一览网 , http://club.elanw.com/dispbbs.asp?boardid=38&id=5970&page=1

[7]李学勇等,第十二章, 其 它，中国生物技术发展中心网, http://www.cncbd.org.cn/nianbao/2002/chapter12.htm

[8]佚名, 转基因技术,良友网, http://www.ly6.net/printpage.asp?ArticleID=6264

[9]陈润生, 生物信息学——基因组研究的有力工具, 中科院计算所生物信息学实验室, http://www.bioinfo.org.cn/course/crs1.htm