21世纪被称为生命科学和生物技术的时代.doc

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。在发达国家，生物技术已经成为一个新的经济增长点，其增长速度大致是在25%30%，是整个经济增长平均数的810倍左右。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。一、生命科学和生物技术的前沿领域 （一）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。 作为世界头号科技强国的美国，在这方面自然是一马当先，其生物技术的研究重心已经从基因组测序转向了基因功能和蛋白质功能的探测。继2000年9月启动“蛋白质结构启动计划”后，美国于2002年实施了“临床蛋白质组学计划”，以开发以蛋白质研究为基础的癌症诊断和治疗系统。目前在美国，蛋白质组学甚至已经形成了产业和市场，美国一家咨询公司的研究显示，到2005年这一市场将达到27亿多美元。目前，美国米里亚德遗传学研究所、甲骨文公司和日本日立公司已经组成联盟，计划在3年内完成人体所有蛋白质的图谱。 其他国家也不甘落后。如日本于2001年启动了蛋白质解析工程，并于2003年确定了“生物立国”战略，明确提出了加快蛋白质组等方面的研发步伐。为了抢占21世纪生命科学研究的这个制高点，日本已制定出措施，决心打好后基因组研究这场攻坚战。 而我国在该领域也具备了较好的基础，当初我国参加国际人类基因组计划的时候，只争取到了人类基因组1%的测序任务，但现在我国科学家经过持续的努力，已经获得了国际蛋白质组计划的主要项目国际人类肝脏蛋白质组计划的领导权。我国将承担整个国际蛋白质组计划20%以上的任务。 （二）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。 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。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。而来自欧洲和美国的多个研究小组则于去年11月10日发布的一批研究成果中，显示长期以来被认为是无法逆转的心脏病发作导致的心脏损伤，却能够被患者自身的干细胞所修复，这充分展示了干细胞技术在心脏病治疗中的潜力。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。科学家预言，用神经干细胞替代已被破坏的神经细胞，有望使因脊髓损伤而瘫痪的病人重新站立起来；不久的将来，失明、帕金森氏综合症、艾滋病、老年性痴呆、心肌梗塞和糖尿病等绝大多数疾病的患者，都可望借助干细胞移植手术获得康复。干细胞的应用前景的确诱人，但由于它涉及到敏感的医学伦理道德问题，尤其是克隆人问题，因此世界各国一直对此类研究争论不休。总体来说可以分为两派阵营：英国、俄罗斯、日本、比利时、法国、德国等国在宣布禁止克隆婴儿的同时，都有限度地支持开展用于研究和医学试验的人类克隆。2001年1月，英国在世界上率先将克隆研究合法化，允许科学家培养克隆胚胎进行干细胞研究，并将这一研究定性为“治疗性克隆”。为避免克隆技术被滥用，同年11月，英国政府再次公布法案，明确规定禁止通过克隆技术复制人类个体，即生殖性克隆。但以美国为首的其他大约五十个国家则一直主张禁止任何形式的人类胚胎干细胞克隆。 不过，2001年8月布什正式表态宣布：可以有限度地将联邦经费用于胚胎干细胞研究，但仅限于利用现有的六十多个胚胎干细胞源，不得进一步摧毁人类胚胎以获得新的胚胎干细胞。同年8月，美国众议院曾通过一项禁止克隆人和用人类胚胎干细胞从事研究的法案，但由于“911”事件的发生，美国参议院对这一法案的讨论一推再推，至今法案还没有成为正式法律。 去年11月6日，联合国大会法律委员会以一票的微弱优势，决定未来两年内，联合国将不再开会讨论有关禁止克隆人的条约问题。看来，干细胞的研究与应用依然任重道远。 （三）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。 从种植的转基因作物种类来看，2003年，全球转基因大豆的种植面积是4140万公顷，占转基因作物种植总面积的61；转基因玉米的种植面积为1550万公顷，占总面积的23；转基因棉花的种植面积为720万公顷，占11；转基因油菜的种植面积为360万公顷，占5。 在世界转基因作物市场上，美国孟山都（Monsanto）农产品公司占据了80的份额，德国安万特公司占有7，德国巴斯夫公司和瑞士先正达公司各占5，美国杜邦公司占3。从所转移基因的特性来看，大部分转基因作物都带有抗病虫害的基因。大约18的转基因玉米带有抵御害虫的基因，73的转基因大豆、玉米和油菜能够抵御除草剂。其余的种类则同时含有这两种基因。2003年，美国转基因作物的种植面积为4280万公顷，比上一年增加了10，种植的作物主要是玉米和大豆。阿根廷的种植面积比上一年增加了3，该国种植的大豆几乎100是转基因大豆。体来说，2003年这些国家的转基因作物种植面积中国在2003年种植了280万公顷的转基因棉花，占全国棉花种植总面积的58，比2002年增加了33。出于对转基因产品的慎重与担忧，目前人们还只是消费转基因植物产品，转基因动物产品尚未真正进入人们的生活。但是，社会的需求是科研开发和经济产品进入市场的最大推动力。一些看得见的迹象表明，转基因动物产品正向我们走来。如美国科学家采用转基因(GM)技术，使奶牛产生的牛奶蛋白质含量提高很多，为今后高等生物的转基因食品研究开创了先河。（四）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。广义地讲，生物信息学是以计算机为工具从事对基因组研究相关生物信息的获取、加工、储存、分配、分析和解释。它包括了两层含义，一是对海量数据的收集、整理与服务，也就是管好这些数据；另一个是从中发现新的规律，也就是用好这些数据。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。 因此，生物信息（Bio-IT）产业是生物技术和信息技术相结合的产物，Bio-IT可分为7大领域，即运算与电脑架构、信息工具与资料、储存与资料管理、生命科学应用、生命科学设备、系统整合与资讯以及知识管理与互通。 由于发达国家特别是美国在信息技术和生物技术两方面都具有超强的实力，因此开展生物信息学研究具有得天独厚的条件。在人类基因组计划开展过程中，私营的塞莱拉公司曾宣称要与人类基因组计划展开竞赛，率先在三年内测出人类的全部基因序列，靠的主要就是康柏（Compaq）公司提供的超级服务器。近年来，美国IBM、HP等信息技术巨头都宣称要进军生命科学领域，这无疑将极大地促进生物信息学的发展。 不过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。（未完待续）二、生物科技产业正孕育较强发展 伴随高科技泡沫的破灭，生物科技股市受到巨大影响，风险投资一度减少和放慢（风险投资审批项目的速度大致放慢一倍），但由于生物科技在前三十年基础研究的强劲支持下，内在价值在不断增长，股市市值的下跌只是更体现了生物科技的投资机会从来没有这么好过。 生物科技产业内在价值增长的原因。 生物科技产品销售额并不因股市下跌而减少，表明生物科技市场看好。前十位生物科技公司的销售额平均增长28%（2000年为207亿美元，5年前为130亿美元）；生物科技新产品通过FDA批准数仍不断增加（批准了35个新药、疫苗/新适应症，而2001年只批准24个）；研发新药的供应仍然强劲：350个新药进入临床试验或等待FDA审批；经过高科技泡沫洗礼的公司管理团队更趋成熟和理性；商业模式有新的改进：（RIPCO/FIPCO）研发功能的制药公司与功能齐全的制药公司之间的布局更为合理，可持续性增强。 生物科技股市走弱的原因。 2002年美国经济在股市上的表现仍是整体熊市，对生物科技股的影响是显而易见的；伊拉克战争不确定因素的严重影响；世界经济疲软；技术泡沫在人们心中仍未恢复信心。道琼斯2002年下跌17%，2001年下跌7%，2000年下跌6%；纳斯达克2002年下跌39%，2001年下跌21%，2000年下跌32%；而生物科技股2002年下跌49%，2001年下跌24%，2000年下跌36%。 风险资本从股市流失，2400亿美元进入银行帐号或转向到原本信誉就好的大公司，人们对新技术和小公司暂时间失去了兴趣。同时，不可忽视的是ImClone等公司丑闻对生物科技股的负面影响很大。生物科技产业被边缘化。 以上可以看出，生物科技产业并不是衰退，其产值增长、股市下降，生物科技股投资的机会比以往任何时候都好，一旦经济开始复苏，生物科技股可能是股市成长最快的部分。 三、从全球市场和制药公司与生物科技公司的比较看生物科技产业的发展 1、美国、欧洲、加拿大生物技术比较 美国、欧洲和加拿大是现今世界主要的生物技术产品及生物技术公司的集中地。下表是美国、欧洲、加拿大生物科技市场2002年销售额/产值，每年R&D投入，公司数，雇员，上市公司数，股市资本等方面的比较。从表中可以看出，欧洲和加拿大的市场总和只是美国市场的五分之一；两者的研发投入和为美国的三分之一强；而两者的市值之和只有美国的18.7%。因此，美国生物科技仍是全球生物科技的主流。 2、制药产业与生物科技产业比较 下表是美国前十位制药公司的2002年的产值及变化情况，从表中可以看出，只有强生公司产值增长幅度达到10%，其他都在10%以下；而股市市值则都在下跌，平均下跌五分之一强，最大下跌一半以上。随着计算技术生物信息学、纳米技术、通信多媒体技术、生物化学药物等多学科的研究积累，系统生物学正在得到迅速发展。生物科技的发展比期望快：RNAi(核糖核酸干扰现象，具有特异降解RNA片段功能的RNA片段)、全基因扫描、干细胞、药物投放等基础研究更加成熟，技术手段进步，研究的复杂性和集成度不断增强：由原来的“基因细胞系统药物”的模式转到“基因组蛋白质组代谢机理毒理”模式，系统性和对象规模都要提高若干量级。经过多学科的综合交叉作用，系统生物学应运而生。系统生物学以全基因生物学的观点进行研究，用集成的观点理解细胞组成如何工作并产生生物系统；以超强的计算方法和能力，更好地理解和预测复杂生物系统和它们的行为；研究微生物和人的细胞对环境变化的响应；用“数学”生物学的方法集成“湿”生物学。 1生物诊断领域与传统诊断技术相比生物诊断技术具有灵敏性、专用性、易用性的特点。生物诊断技术的发展趋势：加速增长和边界扩张；个性化医疗，即诊断更加精确、治疗更加个性化；基于价值的定价等。生物诊断针对的靶是全新的，该领域发展很快。由于有了新的疾病辨别指针，新药临床试验的目标更小，新药研发的高额成本得以有效降低。减少药物的不良反应和改善预防与个性化医疗水准等需求也与日俱增，以上凡此种种，使得生物诊断领域在近年来得到很快发展。从临床诊所使用的检测角度，生物诊断有持续大于10的增长；服务性中心实验室限制了多种测试及其技术平台大规模的发展，一些技术平台在临床诊所使用时比服务性中心实验室更有效率，效果也比较好。生物诊断前景广阔。个性化医疗的兴起代表了新的健康标准；10亿美元以上的高销售额药物将变得较少，带之而起的是针对性更强的效果更好的个性化药物；诊断和处方药捆绑销售的个性化医疗必将成为新的趋势，因此医疗支付系统也将面临方式的改变。2营养功能食品营养功能食品公司也竞相重组。营养功能食品在全球有1500亿美元以上产值(2001年美国529亿美元)，人们对饮食所提供的营养不足的信任危机仍然存在，因此市场将会是长期的；浓缩食品售销量增加。民意调查还表明人们宁愿吃功能食品，而不是自然饮食，功能食品销量增加(2001年全球销售额达566亿美元)；食品和化学公司认识到专用功能成分和食品的结合的重要性。营养功能食品的成功有赖于更多的满足客户需求；产品中包含更强的科技成分，对各类技术、新思想、新产品都应当尽早吸收；建立产品研发供应价值链；加强合作伙伴关系。 3农业生物技术农业生物科技表现死气沉沉。2002年常规农业生物制品价格是十几年来最低的，除了个别有特色的品种之外，没有什么有价值的新产品。合作合同在数量和规模上都令人失望。农业生物科技产业并购的伙伴较少，合并行动也造成了内部的混乱。农业生物科技在广度和深度上都没有充分体现价值。与此同时，社会上对转基因作物、有风险的转基因动物的敏感度也在下降。4生物材料生物工程强大的基因组基础研究对生物材料和生物工程提供了有力支持。微生物、人和动物、植物基因组长期的基础研究和技术发展为生物科技产业提供了强大的知识资源和技术工具。这也为抓住“基于知识的机会”推动知识经济提供了一个成功的佐证。如利用基因组学、生物信息学、高通量药物筛选、组合化学、蛋白质学、工艺工程等学科的交叉作用，对传统制药业、农业、工业生物科技都产生了重要影响。随着微生物基因组、人类基因组和植物基因组知识资源和技术手段的成熟，通过物质科学、化学、计算机科学、材料科学、应用数学、细胞生物学等学科的交叉作用，生物材料、生物化工、生物工艺的未来的学科增长点正在迅速凝结。生物技术对工业的支撑是非常强的。已经有大量的基因组序列库(人、水稻、拟南芥)，一些基因和过程已经清楚。分子进化学说已经得到验证；用化学工厂的理论理解植物生长过程，在表达合成塑料前体、抗体、治疗蛋白、疫苗和工业酶方面等都得到了成功应用。在代谢途径工程方面，通过生物发酵的方法处理难降解的生物材料格外引入注目。生物材料生物工程的机遇。农业部的农业“帐单”：生物能源拨款达4亿美元；广阔的市场：全球化工市场13500亿美元，其中1500亿美元精细化工，4000亿美元特殊化工，8000亿美元日用化工。这些市场中的很多可以采用生物材料生物工程技术；替代能源燃料：生物再生资源，生物量能源转化；特有的饲料前体：手性中间体，PLA，1，3propanedio1；生物聚合物、纳米技术发展的带动：NSF预计到2015年投资将至1万亿美元，涉及的领域将会包括生物半导体、DNA计算机、纳米结构材料、生物粘合剂等；微生物、细菌：特异合成，过程改进，环境清洁等。5生物科学仪器生物科学仪器的行业推动力。生命科学不断产生新的应用，要求产品不断改进；国立卫生研究院(NIH)2003财年增加经费40亿美元，达到270亿美元，对生命科学仪器的使用者加强支持；战略政策层面，为防止生物恐怖将增加额外的研究经费，并增加用于技术商品化的研发经费；非典型性肺炎及其他病原体的影响，使得人们对用户友好型、廉价个性化诊断技术的需求增加，也将对生命科学仪器行业产生明显的推动作用(分析仪器市场的规模：2000年为196亿美元，2001年为211亿美元，2002年为230亿美元)。药物研发对生命科学仪器的影响。制药生物技术行业高风险的模式使得对增长的预测难度增大，而仪器的增长预期相对容易，因此也比较稳定；人们不断关注自动化和药理基因学的需求，将激发对新产品和创新的需求，带动生命科学仪器的创新；工作量巨大的以往设备替代也有很大的需求。学术界对生命科学仪器的影响。学术界对生命科学仪器的影响是两方面因素综合作用的结果，一是国家财政赤字使科研经费面临支出减少，另一方面NIH对生物反恐增加经费将带动支出增加。市场拉动(而不是推动)。开发