生物工程技术在现代制药业的应用
生物工程是70年代产生的一门新的学科，它是通过技术手段，利用生物体或生物过程生产有经济价值产品的学科。生物工程技术的兴起依赖于生物学基础研究方面的两个重大突破：一是上世纪 50 年代出现的Watson和Crick的DNA模版学说；二是上世纪60～70年代出现的Jacob 和Monod的操纵子学说。分子生物学迅速崛起，对生命现象的本质——核酸、蛋白质及其相互关系作了较深入的阐述，使人们对生物规律的认识从宏观进到微观，认识到生物的复杂现象最终是由生物分子及其特性决定的。此后，以分子生物学基础理论为指导，又发展完善了基因工程的工具酶和载体，如内切酶、载体质粒、连接酶及其他修饰酶等，使人们能利用重组DNA 分子自如地操作、搬动和改造基因。DNA和蛋白质顺序测定方法、基因体外快速突变、DNA人工合成等方法的出现，也导致了基因工程在研究技术方面的逐步成熟和发展。因此，生物工程是基础科学和应用科学相结合的产物。生物工程的兴起，不仅反映出生物学飞跃到一个与过去无法比拟的新水平，而且也反映出人类有效控制生物过程为人类造福的时代已经开始。
生物工程从学科领域可把之归并为四个分支：基因工程、细胞工程、微生物工程和酶工程。下面对生物工程技术的四个分支作简要的介绍。
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1.基因工程
基因工程又称遗传工程，即重组DNA技术的实际应用。
它是把在体外重新组合的DNA引入到适当的细胞中进行复制和表达。其所依托的基础理论为Watson和Crick的DNA模版学说，Jacob和Monod的操纵子学说。此二者相辅相成地从分子水平上揭开了遗传密码的复制、转录、转译、突变、调节与控制的奥秘，使人们对于生命基本现象实质的认识大大地具体化和深入，揭开了生物遗传变异的奥秘，堪称划时代的成就。基因工程技术在医药工业中的应用主要有以下内容：
1.1基因工程药物品种的开发
利用基因工程细菌等表达人类一些重要基因片段，可产生具有生理活性的肽类和蛋白质类药物。这一技术可以大量廉价生产以前不敢想象的医药产品。如应用传统的技术方法提取生长激素抑制素(Somatostatin)每毫克需要用10万只羊的下丘脑，所耗费的资金大约等于经由人造卫星从月球上搬回1Kg石头。而用基因工程方法生产等量的激素只需10公升大肠杆菌培养液，其价格大约为每毫克0.3美元。
, 百拇医药
这就是基因工程的诱人之处，其有着难以估量的社会效益和经济效益。
1982年，重组人胰岛素经美国FDA
批准作为第一个基因工程药物上市。目前EPO(红细胞生成素)、G—GSF(粒细胞集落刺激因子)等均已成为年销售额超过10亿美元的“重磅炸弹”。
随着人类基因组计划研究的深入及完成，相信本世纪初将会出现基因工程药物开发的又一热潮。
1.2应用基因工程技术建立新药的筛选模型
在新药研究开发中日益广泛使用的各种酶、受体筛选模型所需的靶酶和受体往往来自动物体内，因而数量有限，不利于采用机器人进行大量筛选。应用基因重组技术将一些靶酶的活性中心或受体的配体、亚基等在微生物中大量表达可以解决这一难题。如β-
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肾上腺受体、5-HT受体和毒蕈碱M受体等均已在大肠杆菌或酵母菌中表达成功，并已证实这些受体的功能与来自哺乳动物组织的受体完全相同。
1.3应用基因工程技术改良菌种，产生新的微生物药物1985年，英国首次报道应用基因重组技术获得新杂合抗生素mederrhodin A和双氢榴紫红素。此后应用基因工程技术改造产生新的杂合抗生素，为微生物药物提供了一个新的来源。
1.4基因工程技术在改进药物生产工艺中的应用
相关的应用有：(1)用带关键酶基因的质粒转化菌种，增加菌种中的关键酶基因拷贝和转录水平。(2)抑制菌种中多余成分的表达，可提高相应产量同时使提取、精制、半合成等后处理工序变得更方便。(3)将血红蛋白基因克隆进菌种后提高对缺氧环境的耐受力，减少供氧这一限制因素的影响和节约能量。
1.5利用转基因动、植物生产蛋白质类药物
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现代重组DNA技术特别是基因显微注射技术的发展，奠定了转基因动、植物发展的基础。转基因动、植物将发展成为生物药品的“新一代药厂”，具有光明的前景和广阔的市场。如人体蛋白AAT 的国际市场价格为10万美元1克，而转基因羊的羊奶中的含量就可达20克/升。
2.细胞工程
细胞工程是在对细胞结构的深入认识和细胞遗传学的基础发展起来的，是在细胞水平上的生物工程。进入上世纪50年代以后，随着电子显微镜、超离心、X光衍射新技术的应用，使人们有可能将亚细胞成分和大分子分离出来进行分析研究，这一研究水平显然是光学显微时代的细胞学所不及的。人们逐渐认识到，细胞中的一切功能和物理化学变化均和发生在分子结构和超分子结构水平上的变化有关。DNA
分子的双螺旋结构弄清了许多遗传学原理，这是从分子水平上揭示结构同机能的关系的一个极好的例证。这奠定了细胞培养和细胞融合技术的理论基础。人们认识到培养的动、植物细胞可以在通过无性繁殖扩大群体数量的同时保持本身遗传性状的一致；融合细胞通过容纳两种亲本细胞的基因载体——染色体而具有亲本双方的优良性状。通过细胞融合技术发展起来的单克隆抗体技术取得了重大成就，该技术被誉为免疫学中的“革命”。细胞培养技术亦取得了丰硕的成果。细胞工程同基因工程结合，前景尤为广阔。现在应用较广泛的有单克隆抗体技术、植物细胞培养生产次生代谢产物、动物细胞培养。另外，细胞培养技术也是基因工程中利用转基因动、植物生产蛋白质类药物的基础技术之一。
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2.1单克隆抗体技术
单克隆抗体技术是将能在体外无限繁殖的恶性瘤细胞与能产生单一抗体的B淋巴细胞融合，使融合细胞具有两种亲本细胞特性的技术。单克隆抗体在医学上的用途十分广泛，抗病毒单克隆抗体已用于临床，例如用于诊断流感病毒类型和狂犬病的治疗。单克隆抗体最受重视的用途是在肿瘤诊断和治疗方面的应用。经抗体与药物结合制成“生物导弹”，能定位杀灭瘤细胞，避免或减少对正常细胞的伤害，从而大大减轻了抗癌药物的副作用。目前，以单克隆抗体为基础的诊断和治疗试剂在全球的销售额已超过40亿美元。
2.2植物细胞培养生产次生代谢产物
利用特殊设计的适于植物细胞培养的发酵罐，培养经过细胞系筛选，条件优化的植物细胞，可获得有经济价值的次生代谢产物，它们常常是药物。1983年，日本利用紫草细胞培养工业化生产紫草素，是世界上第一个利用植物细胞培养工业化生产次生代谢产物的例子。此外，由于培养中细胞变异以及培养条件的影响，可产生自然界不存在的新的药物。还可利用固定化植物细胞转化价廉的底物成价值高的药物。
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2.3动物细胞培养
目前，动物细胞培养主要用于通过大量的细胞培养获得细胞产品。同时可用来进行病毒抗原的制作和疫苗的生产，如制作带状疱疹、水痘、传染性肝炎等的疫苗。
3.微生物工程
微生物工程也称发酵工程，它在原有发酵技术的基础上又采用了新技术使工艺水平大大提高。所采用的新技术主要应用于三个方面：工艺改进、新药研制和菌种改造。工艺改进主要依赖于计算机理论及技术的发展。新药研制则得益于医学研究中对疾病机理的深入了解。菌种改造主要利用基因工程原理及技术。正是由于采用其它学科的理论和新技术成果，使得微生物工程成为高新技术。这反应出当今各学科之间相互渗透、相互支持，促进科学技术加速发展的趋势。以下对这三方面作一简述。
在工艺改造方面主要是在发酵过程中实行计算机控制以及各项生理指标应用传感器等加以检测。
, 百拇医药
新药研制主要是微生物药物的开发。近年来，随着基础生命科学的发展和各种新的生物技术的应用，由微生物产生的具有除抗感染、抗肿瘤作用以外的其它活性物质的报道越来越多，如酶抑制剂、免疫调节剂、受体拮抗剂和抗氧化剂等，其生物活性超过了传统抗生素所包括的范围。这类化合物是在抗生素研究的基础上发展起来的。这类物质和一般抗生素均为微生物的次级代谢产物，其在生物合成机制、筛选研究及生产工艺等多方面具有共同的特点，因此将其统称为微生物药物，即在微生物生命活动过程中产生的具有生理活性(或称药理活性)的次级代谢产物及其衍生物。微生物药物的新时代以酶抑制剂的研究为开端，目前已拓展到免疫调节剂、受体拮抗剂、抗氧化剂等多种生理活性物质的筛选和开发研究，其研究成果令人瞩目。
利用基因工程技术构建能够产生新物质及改善生产工艺的基因工程菌，是上世纪八十年代初开始形成的新领域，已经构建许多能够产生新的次级代谢产物和具有优良生产特性的基因工程菌。
4.酶工程
, 百拇医药
利用酶或细胞、细胞器所具有的催化功能用于药品工业化生产、监测的技术称酶工程。酶工程是酶学与化工技术二者结合的产物。酶学研究的是酶结构和生物催化机理。利用蛋白质结晶化学和晶体X
射线衍射方法等新技术，对酶的三维结构与其功能有了较深入地了解，认识到酶与底物作用的专一性、高效性，为酶工程中利用酶转化廉价底物为高价值产物奠定了理论基础，也可以说为人们对酶的认识打开了一扇窗口，为利用酶进行生产提供了可能。化工技术方面则得益于新型酶固定化材料的研制与应用，使酶反应更为有序，生产工艺更为简单、紧凑、有效。
酶工程可用完整的微生物细胞或从微生物细胞中提取的酶作为生物催化剂，其区域和立体选择性强，反应条件温和，操作简便，成本较低，公害少且能完成一般化学合成难以进行的反应。随着当代生物技术的发展，将固相酶(固定化细胞)、酶膜反应器、溶剂工程、原生质体融合、诱变和基因重组等新技术引入酶催化反应体系，不仅可使微生物转化的效率成倍增长，而且可使整个生产过程连续、自动化，为微生物转化应用于有机合成展现了广阔的前景。微生物转化已广泛用于各类重要药物如抗生素、维生素、甾体激素、氨基酸、芳基丙酸和前列腺素等的合成。
酶工程对促进医药工业传统技术改造具有极大的潜力，尤其是发酵工艺与酶工程技术之间存在着天然的内在联系。传统发酵工艺为无法人为控制的低密度转化，反应器体积大，菌体及产物浓度低，能耗粮耗高，产品收率低，污染严重，效益低下。酶工程是传统发酵工艺在技术上的更新换代，从而导致其技术产生根本变革，甚至取代发酵工艺。, 百拇医药(国研网 敖宗华 陶文沂)
生物工程从学科领域可把之归并为四个分支：基因工程、细胞工程、微生物工程和酶工程。下面对生物工程技术的四个分支作简要的介绍。
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1.基因工程
基因工程又称遗传工程，即重组DNA技术的实际应用。
它是把在体外重新组合的DNA引入到适当的细胞中进行复制和表达。其所依托的基础理论为Watson和Crick的DNA模版学说，Jacob和Monod的操纵子学说。此二者相辅相成地从分子水平上揭开了遗传密码的复制、转录、转译、突变、调节与控制的奥秘，使人们对于生命基本现象实质的认识大大地具体化和深入，揭开了生物遗传变异的奥秘，堪称划时代的成就。基因工程技术在医药工业中的应用主要有以下内容：
1.1基因工程药物品种的开发
利用基因工程细菌等表达人类一些重要基因片段，可产生具有生理活性的肽类和蛋白质类药物。这一技术可以大量廉价生产以前不敢想象的医药产品。如应用传统的技术方法提取生长激素抑制素(Somatostatin)每毫克需要用10万只羊的下丘脑，所耗费的资金大约等于经由人造卫星从月球上搬回1Kg石头。而用基因工程方法生产等量的激素只需10公升大肠杆菌培养液，其价格大约为每毫克0.3美元。
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这就是基因工程的诱人之处，其有着难以估量的社会效益和经济效益。
1982年，重组人胰岛素经美国FDA
批准作为第一个基因工程药物上市。目前EPO(红细胞生成素)、G—GSF(粒细胞集落刺激因子)等均已成为年销售额超过10亿美元的“重磅炸弹”。
随着人类基因组计划研究的深入及完成，相信本世纪初将会出现基因工程药物开发的又一热潮。
1.2应用基因工程技术建立新药的筛选模型
在新药研究开发中日益广泛使用的各种酶、受体筛选模型所需的靶酶和受体往往来自动物体内，因而数量有限，不利于采用机器人进行大量筛选。应用基因重组技术将一些靶酶的活性中心或受体的配体、亚基等在微生物中大量表达可以解决这一难题。如β-
, http://www.100md.com
肾上腺受体、5-HT受体和毒蕈碱M受体等均已在大肠杆菌或酵母菌中表达成功，并已证实这些受体的功能与来自哺乳动物组织的受体完全相同。
1.3应用基因工程技术改良菌种，产生新的微生物药物1985年，英国首次报道应用基因重组技术获得新杂合抗生素mederrhodin A和双氢榴紫红素。此后应用基因工程技术改造产生新的杂合抗生素，为微生物药物提供了一个新的来源。
1.4基因工程技术在改进药物生产工艺中的应用
相关的应用有：(1)用带关键酶基因的质粒转化菌种，增加菌种中的关键酶基因拷贝和转录水平。(2)抑制菌种中多余成分的表达，可提高相应产量同时使提取、精制、半合成等后处理工序变得更方便。(3)将血红蛋白基因克隆进菌种后提高对缺氧环境的耐受力，减少供氧这一限制因素的影响和节约能量。
1.5利用转基因动、植物生产蛋白质类药物
, 百拇医药
现代重组DNA技术特别是基因显微注射技术的发展，奠定了转基因动、植物发展的基础。转基因动、植物将发展成为生物药品的“新一代药厂”，具有光明的前景和广阔的市场。如人体蛋白AAT 的国际市场价格为10万美元1克，而转基因羊的羊奶中的含量就可达20克/升。
2.细胞工程
细胞工程是在对细胞结构的深入认识和细胞遗传学的基础发展起来的，是在细胞水平上的生物工程。进入上世纪50年代以后，随着电子显微镜、超离心、X光衍射新技术的应用，使人们有可能将亚细胞成分和大分子分离出来进行分析研究，这一研究水平显然是光学显微时代的细胞学所不及的。人们逐渐认识到，细胞中的一切功能和物理化学变化均和发生在分子结构和超分子结构水平上的变化有关。DNA
分子的双螺旋结构弄清了许多遗传学原理，这是从分子水平上揭示结构同机能的关系的一个极好的例证。这奠定了细胞培养和细胞融合技术的理论基础。人们认识到培养的动、植物细胞可以在通过无性繁殖扩大群体数量的同时保持本身遗传性状的一致；融合细胞通过容纳两种亲本细胞的基因载体——染色体而具有亲本双方的优良性状。通过细胞融合技术发展起来的单克隆抗体技术取得了重大成就，该技术被誉为免疫学中的“革命”。细胞培养技术亦取得了丰硕的成果。细胞工程同基因工程结合，前景尤为广阔。现在应用较广泛的有单克隆抗体技术、植物细胞培养生产次生代谢产物、动物细胞培养。另外，细胞培养技术也是基因工程中利用转基因动、植物生产蛋白质类药物的基础技术之一。
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2.1单克隆抗体技术
单克隆抗体技术是将能在体外无限繁殖的恶性瘤细胞与能产生单一抗体的B淋巴细胞融合，使融合细胞具有两种亲本细胞特性的技术。单克隆抗体在医学上的用途十分广泛，抗病毒单克隆抗体已用于临床，例如用于诊断流感病毒类型和狂犬病的治疗。单克隆抗体最受重视的用途是在肿瘤诊断和治疗方面的应用。经抗体与药物结合制成“生物导弹”，能定位杀灭瘤细胞，避免或减少对正常细胞的伤害，从而大大减轻了抗癌药物的副作用。目前，以单克隆抗体为基础的诊断和治疗试剂在全球的销售额已超过40亿美元。
2.2植物细胞培养生产次生代谢产物
利用特殊设计的适于植物细胞培养的发酵罐，培养经过细胞系筛选，条件优化的植物细胞，可获得有经济价值的次生代谢产物，它们常常是药物。1983年，日本利用紫草细胞培养工业化生产紫草素，是世界上第一个利用植物细胞培养工业化生产次生代谢产物的例子。此外，由于培养中细胞变异以及培养条件的影响，可产生自然界不存在的新的药物。还可利用固定化植物细胞转化价廉的底物成价值高的药物。
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2.3动物细胞培养
目前，动物细胞培养主要用于通过大量的细胞培养获得细胞产品。同时可用来进行病毒抗原的制作和疫苗的生产，如制作带状疱疹、水痘、传染性肝炎等的疫苗。
3.微生物工程
微生物工程也称发酵工程，它在原有发酵技术的基础上又采用了新技术使工艺水平大大提高。所采用的新技术主要应用于三个方面：工艺改进、新药研制和菌种改造。工艺改进主要依赖于计算机理论及技术的发展。新药研制则得益于医学研究中对疾病机理的深入了解。菌种改造主要利用基因工程原理及技术。正是由于采用其它学科的理论和新技术成果，使得微生物工程成为高新技术。这反应出当今各学科之间相互渗透、相互支持，促进科学技术加速发展的趋势。以下对这三方面作一简述。
在工艺改造方面主要是在发酵过程中实行计算机控制以及各项生理指标应用传感器等加以检测。
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新药研制主要是微生物药物的开发。近年来，随着基础生命科学的发展和各种新的生物技术的应用，由微生物产生的具有除抗感染、抗肿瘤作用以外的其它活性物质的报道越来越多，如酶抑制剂、免疫调节剂、受体拮抗剂和抗氧化剂等，其生物活性超过了传统抗生素所包括的范围。这类化合物是在抗生素研究的基础上发展起来的。这类物质和一般抗生素均为微生物的次级代谢产物，其在生物合成机制、筛选研究及生产工艺等多方面具有共同的特点，因此将其统称为微生物药物，即在微生物生命活动过程中产生的具有生理活性(或称药理活性)的次级代谢产物及其衍生物。微生物药物的新时代以酶抑制剂的研究为开端，目前已拓展到免疫调节剂、受体拮抗剂、抗氧化剂等多种生理活性物质的筛选和开发研究，其研究成果令人瞩目。
利用基因工程技术构建能够产生新物质及改善生产工艺的基因工程菌，是上世纪八十年代初开始形成的新领域，已经构建许多能够产生新的次级代谢产物和具有优良生产特性的基因工程菌。
4.酶工程
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利用酶或细胞、细胞器所具有的催化功能用于药品工业化生产、监测的技术称酶工程。酶工程是酶学与化工技术二者结合的产物。酶学研究的是酶结构和生物催化机理。利用蛋白质结晶化学和晶体X
射线衍射方法等新技术，对酶的三维结构与其功能有了较深入地了解，认识到酶与底物作用的专一性、高效性，为酶工程中利用酶转化廉价底物为高价值产物奠定了理论基础，也可以说为人们对酶的认识打开了一扇窗口，为利用酶进行生产提供了可能。化工技术方面则得益于新型酶固定化材料的研制与应用，使酶反应更为有序，生产工艺更为简单、紧凑、有效。
酶工程可用完整的微生物细胞或从微生物细胞中提取的酶作为生物催化剂，其区域和立体选择性强，反应条件温和，操作简便，成本较低，公害少且能完成一般化学合成难以进行的反应。随着当代生物技术的发展，将固相酶(固定化细胞)、酶膜反应器、溶剂工程、原生质体融合、诱变和基因重组等新技术引入酶催化反应体系，不仅可使微生物转化的效率成倍增长，而且可使整个生产过程连续、自动化，为微生物转化应用于有机合成展现了广阔的前景。微生物转化已广泛用于各类重要药物如抗生素、维生素、甾体激素、氨基酸、芳基丙酸和前列腺素等的合成。
酶工程对促进医药工业传统技术改造具有极大的潜力，尤其是发酵工艺与酶工程技术之间存在着天然的内在联系。传统发酵工艺为无法人为控制的低密度转化，反应器体积大，菌体及产物浓度低，能耗粮耗高，产品收率低，污染严重，效益低下。酶工程是传统发酵工艺在技术上的更新换代，从而导致其技术产生根本变革，甚至取代发酵工艺。, 百拇医药(国研网 敖宗华 陶文沂)