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生物技术

虞星炬

生物技术是利用生物体或生物催化剂加工物料为人类提供产品或服务的高新技术。生物化工是化学工程与生物技术交叉结合的边缘学科,是生物技术产业化的支撑和保证。“七、五”期间,在袁权所长支持下,大连化物所抓住了国家发展生物技术产业这一机遇,组织所内化工及分析领域的科研人员立足于生物技术领域,并于1984年正式成立以虞星矩为首的生物化工课题组,拉开了化物所向生命科学和生物技术交叉渗透的序幕。

化物所是国家膜工程技术中心和国家色谱中心所在单位,膜技术和色谱领域的领先优势锁定了生物技术起步阶段的研究课题与内容。以膜生物化工为学科背景,在积极主动与生物技术上游单位密切合作的前提下,化物所科研人员迅速成为国内生物技术研究队伍的重要一员,承担了众多国家级生物技术研究的课题和子课题。按子课题算,承担课题总数为12项,总经费额约500万元。其中,代表性课题如下:

《高密度细胞培养用中空纤维反应器》‘七、五’攻关(75-71-08-01)80万元

1991年鉴定,国家科技成果登记号:920935;

《膜分离技术、介质及设备》‘七、五’攻关(75-71-08-06)180万元

1992年获中科院科技进步二等奖;

《膜亲和色谱技术的研究》863《新型膜分离介质研究》子课题(863-102-13-27)80万元

2000年获中科院科技进步二等奖,辽宁省科技进步二等奖;

《离子交换径向色谱柱的研究》863《新型膜分离介质研究》子课题(863-102-13-27)60万元

1993年获中科院科技进步三等奖

《青霉素酰化酶基因工程菌膜反应器》中科院重中之重 60万元

1994年获中科院科技进步二等奖

膜分离和色谱分离是生物技术产品分离纯化的核心技术。“七、五”期间,化物所成功地研制了多种规格的中空纤维和平板型的系列滤膜和组件。膜组件用于干扰素、乙肝抗原等基因工程产品的分离,其性能达到甚至超过国外同类产品的水平。在色谱领域,研制成四种类型、六个规格的径向离子交换色谱柱,具有流速快,处理量大,易放大等优点,为色谱分离规模应用于生物产品的纯化,提供了新的设备和方法。膜亲和色谱是膜和色谱相结合的新型分离技术,化物所在超滤膜改性的基础上成功地制备出具有高提纯能力的亲和膜堆和分离设备,对胰蛋白酶抑制剂等生物技术产品进行了高效率的分离纯化。在分离技术中取得的上述进展充分展示了化物所在生化分离工程领域具有的雄厚基础和潜在优势。

生物化工课题组以生化反应工程为研究方向,科研人员将膜与细胞培养,生物质催化等过程相结合,在国内率先开展了膜生物反应器的研究。在《青霉素酰化酶基因工程菌膜反应器》的研究中,成功地将工程菌固定化于中空纤维膜内,稳定地实现青霉素酶法裂解制备六氨基青霉烷酸(6-APA),在高底物浓度下获得高转化率、高收率和优质6-APA。该项目与中科院上海药物所,江西东风药厂合作于1989年完成中试,1991年完成100吨6-APA/年的工业性试验,成为国内第一个将膜反应器放大应用于工业规模的项目。

1992年,我所成立了生物化工研究室,虞星矩任室主任,研究室设四个题目组共26人。1996年我所与大连理工大学建立了生物化工联合博士点,成为国内具有指导、培养生物化工博士资格的5个单位之一。同年七月我所又在大连成功举办了全国第七届生物化工学术报告会,进一步确立了我所生物化工学科在国内的地位。

基于我所生物学科的基础与背景相对较弱,生物化工室成立后,注重加强涉及生物技术上游领域的研究,不断引进具有生物学背景的人才,学术带头人,逐步实现年轻化,研究方向也作了多次调整,相继组建了以马小军为组长的“生物医学材料工程”,杜煜光为组长的“糖工程”,张卫为组长的“海洋生物产品工程”及杨凌为组长的“药物资源开发应用”等新题目组,强化了我所在生物技术及生命科学领域的知识、技术基础。

生物医学材料工程是我所在此期间开辟的新领域,在成功地建立高分子膜微囊化制备技术的基础上,以微囊膜为免疫隔离工具,开展了微囊化细胞用于糖尿病和帕金森症治疗的探索性研究。1999年与301总院合作完成了微囊化嗜铬细胞用于模拟猴移植实验,经移植的模拟猴后,帕金森病症4天后即缓解并能持续有效达数月乃至数年。2000年开展了生物微胶囊治疗癌症晚期疼痛症的临床试验,经移植的患者疼痛症状显著减轻,3~5天后即可逐渐停止服用所有的止痛药物。由于生命晚期生活质量的改善,18例患者一年后竟有17例仍能继续维持生命。生物微胶囊的研究目前已扩展至基因治疗组织工程和药物缓释等领域,成为国内独具特色的以微囊化人工器官为研发方向的生物医学材料工程研究单位。

在糖工程领域,我所以壳寡糖制备技术为基础,开发多种可调节植物防御功能抵抗植物真菌病害的寡糖类生物农药,目前该生物农药已投入市场,项目本身获得了2001年辽宁省科技进步二等奖。

毛细管电泳是适用于生物产品的一种高效分离分析技术。林炳承课题组在国内外较早开展该项技术的研究,成功地研制了系列的毛细管电泳柱,并用于各种生物产品的分离。在毛细管电泳的理论和技术研究中均有突出贡献。该项目于2002年获得辽宁省自然科学一等奖。

2001年,在实现知识创新工程试点工作的新形势下,化物所融合色谱分析开放实验室、生物化工研究室及生物技术相关课题组,组建了生物技术部,聘请了工程院杨胜利院士为生物技术部部长,斥资7000万建设了生物技术大楼,并为生物技术部提供3年1800万的首批创新基金支持。吹响化物所生物技术快速发展的号角。

生物技术部成立后,在卢佩章、杨胜利、张玉奎三位院士的指导下,确立了以建设系统化学生物学平台为基础,面向中药现代化,工业生物技术和医用生物材料应用的研究方向。

系统化学生物学是以分子水平研究基因,蛋白质及代谢过程相互关系和作用的前沿科学。基因组、蛋白质组学和代谢组学是系统化学生物学研究的基础。生物技术部充分发挥化物所分析学科的基础和优势,重点建设以蛋白质组学、代谢组学和微孔流芯片技术为核心的系统生物学技术平台,并面向应用生物技术的发展。目前,张玉奎、邹汉法等已建立集成化蛋白质分离鉴定平台,建立了采用纳米锆板新材料的磷酸化蛋白高选择、高灵敏度分析技术以及多肽组学分析技术,上述技术分别成功应用于人肺癌细胞提取蛋白分析、Hela细胞不同生长阶段的磷酸化蛋白组学分析及肝癌蛋白质组学和肽组学研究。在代谢组学技术平台建设过程中,许国旺等建立了基于质谱、NMR的代谢组学分析方法与信息处理技术,并成功用于肠瘘和肝病的代谢组学研究。林炳承等在微流控芯片研究中,通过芯片表面修饰及不同单元操作集成研制成功四类不同功能的微流控芯片仪,有效地应用于抗肿瘤药的多指标、多参数和多实验条件的快速筛选和抗神经元变性药物的高通量筛选,微流控芯片电泳系统于2007年获得辽宁省科技发明一等奖。

生物技术部的应用研究集中于医药和能源领域。在医用生物材料研究中,在规模化微米级微囊制备系统研制成功基础上,开展了微囊化转基因细胞规模制备和应用,克拉霉素漂浮-粘附微囊制备及应用和微囊化干细胞培养研究;用于血液净化的“新型免疫吸附血液净化柱”已完成200多例临床应用,并通过国家医疗器械司生产许可证二轮审查,进入终审程序。

中药现代化是中国科学院的重要方向项目。梁鑫淼在完成中药物质基础研究平台建设,中药资源库构建的基础上提出了“本草物质组计划”,该计划将在科技部支持下启动,计划的相关内容、价值受到美国《科学》杂志的关注,并于2008年2月8日作了报道与介绍。

此外,药物资源开发领域建立了ADMET研究平台,通过药-药相互作用研究充分挖掘药物资源的价值。在海洋生物技术领域,海绵药物及海绵微生物资源用于天然产物的发现、制备也取得良好的进展。

在生物能源领域开展了菊芋生物炼制,微生物生物油脂和生物制氢研究。赵宗保等在菊芋淀粉发酵乙醇的研究与中海油合作将于2008年进行中试。筛选获得了高产油脂酵母菌,完成了其相关基因与表达研究。张卫等在生物制氢的研究中筛选获得一株可光解海水制氢的海洋绿藻,发明一种调控方法使产氢能力提高近千倍,所产氢气可直接燃料电池联用。上述研究均达到了国内同类研究的领先水平。

生物技术成立以来,共发表论文5000余篇,(SCI收录300余篇);申请专利150余项,授权80项;获辽宁省自然科学一等奖2项,辽宁省发明一等奖1项,教育部高校自然科学一等奖1项,辽宁省科技进步二等奖1项。

上述进展充分表明,经过跨课题组、跨学科整合的生物技术部,发展空间不断拓宽,一个科研能力和竞争力大幅提升,体现化物所开拓创新,锐意进取,不断为国家经济发展做出新贡献的新领域已经建成。

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