新生物经济

　一、核酸芯片1994年，皮斯 （A.C.Pease）创立了光导寡核苷酸阵列化学合成法，为核酸芯片芯片技术奠定了基础。DNA芯片技术是在SBN杂交测序技术的基础上，以基因组DNA、cDNA或者寡聚脱氧核苷酸作为靶点，按照微阵列固定在由硅片、玻片或者尼龙膜构成的基片上，用于检测基因组序列，找出突变基因，确定基因多态性、或者用于测定基因表达谱，以及用于临床诊断、法医和检疫鉴定的一项生物技术。
　　二、蛋白质芯片和组织芯片将适体包括蛋白质样品、可识别特征结构的短肽或者可以折叠产生三维结构而与特定靶分子结合的单链DNA或RNA等按照微阵列固定在基片上可以制作成蛋白质芯片。蛋白质芯片被用于化验、诊断、检疫、环保、刑侦等领域检测和鉴定各种蛋白质以及研究蛋白质与各种生物分子相互识别和相互作用。
　　将组织样品按照微阵列固定在基片上即可制作成组织芯片。组织芯片用于DNA、mRNA的原位杂交，蛋白质的免疫组织化学染色，疾病相关分子标志物的筛选，药物靶标的发现，以及与诊断、治疗、愈后有关参数的评估和应用等。
　　三、微缩芯片实验室微缩芯片实验室是将分离纯化装置缩小在一块基片上，含有微型加热器、微型泵、微型阀门、微型流量控制器、微型生化反应池、微型层析装置、毛细管电泳和微型光学检测器，通过厘米见方芯片上的缩微层析、电泳和各种生化制备装置，完成对细胞内成分的提取、分离和分析过程，少数几个或者一个细胞的生物分子都可以得到分析分离。微缩芯片实验室使得生化分析分离更加快速、高效、微量、低耗，并易于操作。

　　上个世纪80年代，信息科学的概念、理论和方法被引入到生命科学中，促进了对生物体的定量研究。信息科学为研究生物系统的信息提供了有效方法。已经有大量计算机程序可以用于分析生物基因组所包含的遗传信息，找出编码基因的阅读框架和各种控制序列，解读生物的遗传语言。借助于特定的程序可以对生物基因组的遗传信息进行比较分析，找出他们的遗传距离和各种的性状特征，并绘制出进化树。运用计算机不仅可以分析计算大量生物信息，从中找出生物学的规律，还可以进行生物结构和功能的预测，从基因序列预测其可能的功能，从蛋白质的氨基酸序列预测其空间结构，从基因点突变预测可能造成的形状改变。计算机还能进行各种生命活动过程的模拟，建立有关的模型。计算机为生命起源、生物进化、人类大脑活动等研究提供了重要途径。
　　生物信息学是采用计算机技术和信息科学的方法，对生命科学中各种生物信息的采集、储存、传递、检索、分析和解读的技术。生物信息技术一方面被用于生物学数据库包括DNA测序图谱、分子杂交、成像技术等获得的各类图形或者生化实验所得到数据信息等，另一方面，通过软件对生物信息的处理和计算，预测生物大分子的空间结构，比较生物的蛋白质序列、基因序列得出进化关系，从DNA序列中比较得出基因的模式识别等，推动基因组学、蛋白质组学、RNA组学的研究、解决生物信息学的各类问题。

　　细胞工程技术包括细胞融合 （体细胞杂交）、单克隆抗体、核移植、动植物细胞的大规模培养、植物单倍体育种、体细胞克隆动物和干细胞工程。
　　一、细胞融合技术细胞融合是是两种选定的细胞通过化学融合剂、物理电击和生物因子如病毒等处理而发生合并，并能分别表现出原来两细胞的某些性状。传统育种通常采取在个体水平进行杂交的方法，尤其是通过远源杂交使得优良性状得到更大的优化组合，一些有益的隐形基因也能被选择出来，经过若干代谢选择才能选出优良的新品种。细胞融合在细胞水平进行杂交育种，在较短的时间内选育出新品种，选育效果好，而且具有较强的针对性。细胞融合技术能产生一些特殊的杂交细胞，如用于生产单克隆抗体的杂交瘤细胞。在将淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合过程中，常使用聚乙二醇 （PEG）作为化学促融剂，待细胞发生融合后即分开培养，获得单克隆细胞系。
　　二、细胞核移植和克隆动物核移植是研究核质关系的重要途径。通过不同发育阶段和不同组织的细胞在核移植后的表现可以找出发育和分化过程中核质的相互作用。
　　在动物发育过程中，基因组DNA和染色质发生了不可逆的修饰和重构，即动物发育具有不可逆性，因此，将分化的细胞核移植到去核的受精卵或未受精的卵细胞内，可以使细胞重新开始发育。在此基础上产生了克隆动物，从而使动物 “复制”成为可能。
　　三、细胞培养技术细胞大规模培养技术使得动植物内一些经济价值很高的微量成分能够用工业化的方式大量生产，也可以利用动植物细胞进行特定的加工反应，或是获得大批均一的细胞。例如，利用生物反应器生产单克隆抗体、细胞因子、人参皂苷、桉树油、紫三醇、生物碱等。如果基因工程的产品不是简单的多肽和蛋白质，就不能用细菌发酵来生产，酵母菌能对蛋白质产物进行一定的糖基化，复杂的加工必须采用动植物细胞进行生产。
　　植物细胞培养步骤包括：外植株的选择与表面消毒；建立无菌培养系统；经培养外植体块在培养基上形成疏松的愈伤组织，由愈伤组织分化出芽并可诱导形成根，长成小植株。外植株或愈伤组织细胞也可经液体悬浮培养，形成胚状体，再诱导长成植株。
　　动物细胞培养包括贴壁培养和悬浮培养，血液细胞、淋巴细胞、肿瘤细胞、杂交瘤细胞和一些转化细胞通常使用悬浮培养。动物细胞培养的步骤包括：将组织剪切成小薄片；加入合宜浓度的胰蛋白酶或胶原纤维酶与EDTA进行消化使细胞分散；将分散的细胞洗涤并纯化，以每毫升二百万至七百万个细胞的浓度加在培养基中，在37度进行原代培养，并实时传代更换培养基。
　　生物科技产业四、细胞重建技术自然界存在的生物细胞常常并不符合人类的生产要求，因此需要加以改造。借助细胞融合技术可以得到杂交细胞，从杂交细胞中可以选择从符合人们需要的类型。培养细胞经人工诱变可以产生各种突变体细胞。紫外线诱变不需要昂贵仪器设备，较易操作。化学诱变剂大多有致癌作用，需要小心操作。经诱变和筛选得到各种特殊的细胞，如营养缺陷型、抗性、积累中间代谢物或次生代谢物及特异基因型的细胞。将外源基因导入细胞可以得到表达特殊性状的转化细胞。如导入生产药物的基因、生产营养成分的基因或抗性基因，将细胞用于大规模生产或用于育种。外源基因导入细胞后，如果以重组病毒或质粒形式存在，往往只能在一段时间内表达。
　　五、胚胎干细胞技术在动物体内存中一些发育全能性的细胞，即未分化细胞，如鱼类、两栖类从受精卵分裂成两个细胞到囊胚期的细胞都具有发育全能性，哺乳动物从卵裂两个细胞到64个细胞以及内细胞团的胚胎细胞也都具有发育全能性。胚胎干细胞即ESC （embryonic stem cell）是正常的二倍体型细胞，能在体外人工培养，扩增和导入外源基因，并能以克隆形式保存。由胚胎干细胞与8-10个细胞器的胚胎聚集在一起，或通过胚腔聚集在一起，或通过胚腔注射构成嵌合体。胚胎干细胞在嵌合体内增殖并分化成各种组织，最后嵌合体发育成动物个体。此外，通过核移植或者细胞融合把胚胎干细胞的细胞核导入去核的卵母细胞，然后转移到宿主输卵管种植在子宫内发育成个体。

　　微生物发酵工程是利用微生物的代谢和发酵作用进行现代化、大规模的生产，其主要工艺技术包括工程菌种的构建和选育、菌体生长代谢和发酵过程的控制调节、微生物机能的利用等。发酵技术与美技术尤为密切，绝大多数工业用酶是由微生物发酵生产的，另一方面许多传统上用发酵法生产的产品正在逐渐改用固定化酶或固定化细胞生产。发酵产品可以是微生物菌体，如利用再生资源生产饲料蛋白、作为生物催化剂使用的微生物细胞；也可以是微生物的代谢产物，如氨基酸、核苷酸和有机酸，及微生物的次生代谢产物，如抗生素、维生素、激素、生物碱、细胞毒素等。微生物发酵工业具有巨大的社会经济效益，如利用微生物对工业废水和生活污水的净化处理，利用微生物对石油的二次开采和分解长链烃以增加汽油产量。基因工程、酶工程、蛋白质工程、免疫工程和生化工程等，往往都要通过微生物发酵来进行大规模的生产。
　　在对微生物发酵工程设备和工艺技术的研究和改进中，发展出了生化工程技术。生化工程技术包括生物反应器和传感器的设计、生物反应的程序控制、产品分离精制技术等。生物反应器是生物技术工业的一个关键设备，它为活细胞或酶提供使用的反应环境，以达到细胞增殖和产品形成的目的。现已有适合酶反应、微生物发酵以及大规模动植物细胞培养的生物反应器和发酵罐。为了自动检测和控制生物反应器中有关参数，如搅拌速度、通气量、氧分压、PH值、氨含量等，还需要配以各种传感器，尤其是能够灵敏的检测各种生物分子的浓度的生物传感器，如将酶固定在探头的薄膜上，利用酶促反应产生氧化还原电势的变化测出溶液中底物和产物的浓度。
　　反应产物的分离纯化 （分离纯化工艺）被称为生物工程的下游技术。酶反应和发酵反应完成后，需要进行适当的预处理，如调节PH，出去菌体和某些不溶物，然后分离出粗产品，进一步在精制和纯化。分离纯化工艺需要安装产物性质来设计，在实践中再不断改进，最常见的分离纯化方法包括盐析和有机溶剂分级沉淀、超滤技术、层析技术、电泳技术、离心技术。
　　(1)盐析或有机溶剂分级沉淀：向反应产物溶液中加入大量易溶解的盐如氯化钠、硫酸铵，这些盐的离子能结合大量的水，产物因此被盐沉淀出来。产物溶液中加入能和水互溶的有机溶剂如乙醇、丙酮，常常能降低产物溶解度，而使产物沉淀。选择适当条件可使产物和杂质分开。
　　(2) 超滤技术：选择适当孔径的超滤膜或超滤中空纤维柱，通过抽滤加压使一定大小的分子能水一起穿过孔径，更大的分子则被挡住，以此将产物分离出来。
　　(3)层析技术：使用滤纸、纤维素、树脂、凝胶颗粒、多空玻璃珠等填充支持物或者不同于溶剂的另一种液相作为固定的介质对溶剂中的不同物质的结合力不一样，当溶剂向前推进时，溶剂中的不同溶质便可彼此分开。此外还有按分子大小分开的分子筛层析，按解离能力和离子性质分开的离子交换层析，按生物分子间亲和力大小分开的亲和层析，以及按两相溶液间分配系数差异而分开的逆流分溶。
　　(4)电泳技术：带有电荷的离子或颗粒在电场作用下向一个电击方向移动，离子或颗粒因其所带电荷和质量的不同，在电场中的移动速度不同，因而彼此被分开。被广泛使用的是凝胶电泳，而毛细管电泳具有最灵敏的分析效果。
　　(5)细胞、细胞碎片和生物大分子在离心力场作用下能被沉淀下来。离心机在每分钟旋转10000次以下的低速是就能使细胞沉淀，细胞碎片要在每分钟旋转20000到30000次的高速下才能被沉降，生物大分子则需要在每分钟旋转30000次以上的超速离心方能克服分子热运动而被沉降。

　19世纪末德国科学家贝林 （E.V.Behring，1854—1917）发现白喉抗毒素，并首创白喉的血清疗法。贝林用白喉外毒素免疫动物 （用抗原注射到动物体内以产生免疫反应）从而获得含特异抗体的血清 （抗血清）即第一代抗体。至今临床诊断和治疗用的抗体或抗血清主要还是这类抗体。
　　20世纪中叶，伯内特 （F.M.Burnet，1899—1985）提出抗体克隆选择理论。当抗原免疫动物产生抗体时，通常能够产生多种识别同一抗原的不同抗体。它们或者是识别抗原分子的不同表面部位 （表位），或者是识别同一表位的不同结构的抗体。1975年科勒 （G.j.F.Kohler，1946—1995）和米尔斯坦 （C.Milstein，1927— ）将小鼠骨髓瘤细胞与用绵羊红细胞免疫小鼠后的脾淋巴细胞进行融合，形成杂交瘤细胞，它既能像淋巴细胞那样产生抗绵羊红细胞抗体，又能保持骨髓瘤细胞无限分裂的能力，由此创立了杂交瘤技术。杂交瘤包含许多淋巴细胞与肿瘤细胞的融合细胞，从中可以挑选出活性相对最高、特异性相对最强的细胞株，其产生的抗体为单克隆抗体，也就是说由同一无性繁殖系所产生的抗体。通过生物科技产业淋巴细胞与肿瘤细胞融合产生的单克隆抗体即第二代抗体。
　　进入上个世纪八十年代，利根川进 （S.Tonegawa，1939—）克隆出编码抗体免疫球蛋白 （lg）基因可变区 （V）和恒定区（C）片段，证明B淋巴细胞在发育过程中抗体基因发生重排，在此基础上科学家们弄清楚了抗体基因的结构和重排机制，使抗体采用基因工程生产成为可能。1985年史密斯 （G.P.smith）将外源肽段基因与丝状噬菌体外壳蛋白基因融合，使外源肽段展示在噬菌体表面，创造了噬菌体展示技术。1990年麦卡弗蒂 （J.Mecafferty）从淋巴细胞中扩增出抗体重链可变区 （Vh）和轻链可变区 （Vl）基因片段，用柔性链连接，再与外壳蛋白基因融合，使单链抗体在丝状噬菌体表面展示，构建了噬菌体抗体库。当用抗原作为选择剂，就可以从噬菌体抗体库中挑选出对抗原特异性结合的抗体。分离出此特异抗体基因后，按照基因工程步骤就可大规模生产抗体。利用基因工程技术和表达抗体基因即第三代抗体。