专题报道生物化工研究现状与发展趋势 欧阳平凯 韦 萍 姚 忠 (南京工业大学,南京210009) 摘 要 综述了化学生物学作为一个化学与生命科学交叉的新兴学科,正在世界各国迅速兴起,并逐渐成长为未来几十年或更长一段时间内的重要前沿方向。
生物化工是20世纪中叶兴起的一项重要的化学工业技术,它是建立在高效化学化工技术与生命科学的相互交叉与融合的基础之上,充分体现了学科交叉的优势,必将引起现代化学化工技术产生革命性的变革。
并在全面概述当今化学化工行业的发展现状的基础上,重点阐述了当今生物化工技术研究的前沿领域。
关键词 生物化工,研究概况,发展趋势中图分类号 Q 503 文献标识码 A 文章编号 1000-6613(2003)01-0001-07 纵观当代科学技术发展,不难发现,当今世界上最受重视的技术是IT 技术和纳米技术,发展最快的科学是生命科学[1]。
能源、资源、环境与材料科学技术亦受到国家高度重视。
化学化工则表现出一种相对被淡化的趋势。
虽然环境污染问题是人们对化学化工某种程度上的误解,但应看到化学向其他学科的主动渗透以及利用其他学科的成就发展自身的工作相对薄弱,与其他学科的深层次的交叉不够,才使人们产生这种观点并使化学与一些重大的发现失之交臂。
实现学科交叉可能是化学化工走出低谷的正确途径。
一些化学化工学者已经开始重视与其他科学的交叉。
应当说学科交叉是学科发展与技术创新的源泉,产生了诸如能源化工、资源化工、材料化工等一些大有作为的化学化工新领域。
其中由化学及其工程学与生物学的交叉与渗透产生的生物化工,无疑将给化学化工专家提供一个范围广阔而欣欣向荣的发展领域。
生物化工是化学化工与生命科学的交叉学科,也是当今化学化工的前沿学科,是化学工程师向生命科学进军的新领域。
1 生命科学的巨大进步20世纪后叶,生命科学的各领域取得了巨大的进展,特别是分子生物学的突破性成就,使生物技术在自然科学中的位置发生了革命性的变化。
很多科学家认为在未来的自然科学中生物技术将要成为带头学科,甚至预言21世纪将是生物学世纪。
在未来的21世纪生命科学将蓬勃发展,生物技术对自然科学将起到巨大的推动作用。
作者认为生物学之所以发展如此迅猛,并取得当今显赫的地位,关键原因是在过去的50年中生物学家十分重视它与物理学、化学的交叉,二战后所有的诺贝尔生理医学奖中大多数都是生物学和物理学、化学交叉(10项除外)相关,其中23项与化学(分子科学)有关。
例如,已在生物技术中取得了无可争辩的主流地位的分子生物学,就充分体现了生物学与分子科学的交叉。
其主要奠基人J.D.沃森博士认为,他成功的真谛是深刻地领会了“他山之石可以攻玉”。
他的脱氧核糖核酸(DNA )双螺旋结构的提出,是以核酸化学大师夏尔科夫的脱氧核糖核酸的碱基结构和弗兰克林女士的X 射线衍射照片为基础。
实际上后来的DNA 重组和基因克隆技术都涉及化学(分子科学)中的分子断裂、分子重排等分子结构及分子反应性原理。
他的成功充分体现了学科交叉的优势。
分子生物学是在分子水平上研究生命现象本质与规律的科学。
分子生物学的核心是遗传信息,也就是从DNA 分子到核糖核酸(RNA )分子,再到蛋白质分子的信息传递过程,称为遗传信息传递的“中心法则”。
各种生物的基因组结构及生物基因表达过程在各层次上的调控已成为分子生物学研究的主要领域。
随着人类基因组计划(Human G enome Project ,HGP )的顺利进行,人类基因组的全序列的测定完毕,为全部遗传信息的破译奠定了基础。
生命科学的研究已进入后基因时代(post -genome era ),研究的重点也从结构基因过渡到功能基因研究。
但是生物功能的主要体现者或执行者是蛋白质,细胞的许多重要功能是由蛋白质完成,因此对基因组的研究已回归到对基因的执行体———蛋白质收稿日期 2002-12-04。
第一作者简介 欧阳平凯(1945—),男,教授,博士生导师,中国工程院院士,中国化工学会副理事长,中国化工学会生物专业委员会主任委员。
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・1・ 2003年第22卷第1期 化 工 进 展 CHEMICAL INDUSTR Y AND EN GIN EERIN G PRO GRESS图1 21世纪生物化工发展框架组学的研究,特别是对功能蛋白质组的研究[2～4]。
曾参与人类基因组项目的塞莱拉公司总裁文特尔说:“我们打算建立研究蛋白质的机构”,这是非常重要的。
拜耳、默克和辉瑞等许多制药公司正在进行与应用前景有关的蛋白质研究。
21世纪生物化工发展框架见图1。
目前蛋白质的研究已进入可以从构象出发进行分子力学计算、模拟和改造天然活性肽的功能;模拟酶的主客体分子间相互识别和相互作用也取得了重要进展;基因与蛋白质组学的研究主题虽然仍是育种与药物,但由它所发展的一系列新概念、新知识、新方法涉及催化材料学家所关心的酶的作用与酶的模型[5]。
生物技术正将主攻目标从医学、农业转向第3个目标———生物催化,并可能引发在催化新材料上的一场革命,有人认为这可能是生物技术应用的第3个浪潮。
2 化学生物学及其技术在生物学领域日新月异的今天,人类已经能够解读关于生命的“天书”,对于开展遗传病、多型现象、人体生理学、蛋白质分子设计、癌症研究以及生命进化领域的研究具有非常重要的意义。
在此基础上,一个以功能基因鉴定为中心的“功能基因组学”领域应运而生,这标志着一个以破译、解读、开发基因组功能为主要研究内容的后基因组时代的来临,其中一个重要的领域就是“蛋白质组学”。
蛋白质组学的主要研究包括对蛋白质表达模式以及功能模式研究两个方面。
目前,人们已经发现和阐明了许多基因及相应蛋白质的结构,并逐步了解其功能,对其功能的研究也逐步由静态水平发展到动态水平,从对结果的研究发展到对过程的研究,由对个体现象的研究发展到对群体现象的研究,这些新的课题给化学家们提供了新的机遇和挑战。
这种机遇的中心就是从化学的角度解读基因组学与蛋白质组学,这或许就是化学生物学的核心[6]。
化学学科是自然科学中的中心学科,化学学科的“结构”和“反应性”语言是诸多自然学科的共同语言,化学是在分子水平上研究物质世界的科学,由于其联系着物理学和生物学、材料科学和环境科学、农业科学和医学,它是所有处理化学变化的基础,故被认为是“中心科学”。
化学学科经历了几个世纪的发展已经逐渐趋向成熟。
高效分离技术的出现,各种仪器分析特别是波谱技术的发展和应用,大大增强了操控和处理复杂结构问题的能力;随着近代有机合成,特别是选择性合成和手性合成技术的发展,今天人们已经能够合成自然界发现和鉴定的任何复杂天然化合物,并且在此基础上能够设计和合成特定性能的新颖化合物。
总之,化学已具备了研究复杂分子和分子体系的能力。
同时,蛋白质、核酸等重要生物有机大分子的化学本质,也决定了化学化工的理论、研究方法、研究手段将成为探索生命科学领域中基本问题(遗传、变异、生理、病理过程及调控等)的有效手段。
近年来化学生物学的迅速崛起恰恰反映了这种化学与生命科学迅速相互渗透的一种趋势。
化学生物学作为一门新兴的交叉学科,它在研究方式上具有一个化学家和生物学家从实验到工程紧密合作的特色,这种学科的密切交叉体现了现代技术科学的活力与优势;而在研究方法上则体现了化学向生物学的深层次渗透,并与生物学共享分子学与反应性原理[7]。
化学生物学在国际上受到高度重视的一个标志是1995年诞生的化学生物学杂志(美国),在其创刊后的5年(1999年),其影响因子(impact factor )就达到了6.157,超过了分子生物学杂志(5.803)。
此外世界著名的Harvard 大学于1995年将其化学系改名为化学与化学生物学系(Department of Chemistry and Chemical Biology )。
2.1 国外化学生物学研究的特点首先是建立一个生物学家和化学家紧密合作的平台,形成了化学家和生物学家的亲密合作关系,体现了一种跨学科的精神。
化学家的浓厚兴・2・ 化 工 进 展 2003年第22卷 趣[1～10]是从复杂的碳水化合物、多肽、蛋白质到DNA/RNA;从组合化学、组合生物学到信号传导;从催化抗体到蛋白质折叠;从生物信息学和结构生物学到药物设计。
在研究方法上生物化学家更关心化学学科向生物学的渗透。
R.Lemer提出:“我的指导思想是化学是中心学科,在生物学和医学中发生的每件事都有它的化学基础……,如果你没有化学的思维,就无法设计许多试验;如果你不能合成分子,那么就会有整个试验层次的研究被排除在你的思考之外。
”化学生物学的工程应用,被认为可能开发出疗效好而副作用小的新药;从研究生物催化和生物转化中可以开发出新型高效的生物催化剂和生物催化体系;医药和制药工业等领域的技术进步正期待着从其发展中得到新的机会[8,9]。
2.2 国外在该领域的主要研究方向[3,9～12]2.2.1 化学小分子对生物大分子的调控作用从天然化合物和化学合成中发现对生命体系代谢过程具有调控作用的物质;发展作用于新靶点的新一代治疗药物;发现生物合成和自然界分子进化的调节控制规律。
2.2.2 提供生物过程的组合化学合成多样性分子的新技术和新理论;生物体系中信息传递、靶分子相互识别复杂过程的组合机理和方法。
除此之外,还有催化抗体、金属酶等催化新材料。
总体来看,国内该类研究的特点及研究的内容与国外有相似之处,但这只是狭义的化学生物学研究。
从广义的化学生物学,特别是与基因组学、蛋白质组学的相关领域,国外的基础研究工作发展很快,国内在基础研究领域却相对薄弱。
特别关键的是国内在化学化工学家和生物学家密切合作研究不够,需要构建更多的合作研究平台。
作为一门新兴的前沿发展学科,化学生物学已给我们提供了一个交叉的方式、一种创新的方法、一个广阔的领域,为化学化工专家向生物技术渗透、并与生物学家紧密合作发展为生物催化新材料和新体系提供了很多的机遇。
3 生物催化技术生物催化因其具有转化条件温和、选择性高、生物催化剂制造成本低等优势,已发展成为化学工业的重要技术之一,以催化作用为基础的化学品占化工产品的60%,其技术渗入量占目前化工生产技术的90%,生物催化剂作为生物催化的核心,已经成为各国学者及工程技术人员研究的重要内容。
目前,运用酶催化技术进行的有机反应种类很多,见表1。
表1 酶催化技术及催化剂种类酶催化的有机反应类型所用催化剂种类水解反应 酯水解磷酸酯酶、猪肝酯酶、马肝酯 酶、乙酰胆碱酯酶 肽键水解肽链内切酶、肽链外切酶 糖苷键水解葡萄糖苷酶、半乳糖苷酶、葡萄 糖淀粉酶、纤维素酶 环氧化物水解微粒体环氧化物水解酶、胞外环 氧化物水解酶 腈水解腈水合酶、腈水解酶氧化还原反应氧化还原酶类以及相应的辅酶碳-碳键形成反应醛缩酶(aldolase)加成反应 延胡索酸加水生成苹果酸延胡索酸酶(fumarase) 天门冬氨酸脱氨天门冬氨酸酶(aspartase) 氰化氢对醛或酮的不对称加成氧腈酶(oxynitrilase)卤化和脱卤素反应 烯烃加卤反应 炔烃加卤反应卤素过氧化酶(haloperoxidases) 芳香族化合物的加卤反应卤代醇环氧化物酶(halohydrin epoxidases) 21世纪生物技术的发展重点在于工业生物催化,使其成为切实的生产力。