“我国应尽早启动‘工业生物过程的系统生物学研究’计划，通过产学研结合，加强大宗生物化工产品如抗生素、化工原料、燃料乙醇等的系统工程研究，促进生物技术产业的跨越式发展。”在近日召开的第98期东方科技论坛上，杨胜利、陈晓亚、邓子新院士等就我国工业过程的系统生物学研究现状发出强烈呼吁。
在以“生物系统工程与先进生物制造”为主题的本次论坛上，针对先进生物制造技术涉及的生物系统工程研究，近40位来自生物工程、生物化工和生命科学相关领域的专家学者，围绕生物过程的系统生物学研究方法、基于系统生物学理念的生物工程发展方向、先进生物制造的工程学和生物学等问题进行了深入讨论。
加强共性技术研究
“人类社会的发展将基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济，也就是将工业革命世纪转变到生物技术世纪。这种能源结构和资源结构的转变，直接关系到我国经济的可持续发展、社会稳定和国家安全。”大会执行主席杨胜利说。
随着经济的发展，当前的能源结构、资源结构、环境状态已不能支撑现有发展模式。特别重要的是，由于煤、石油等能源的耗竭以及环境保护的需要，如果没有基于科技进步的大力开发，能源和资源将难以支撑人类社会的进一步发展。陈晓亚认为：“传统的粗放型经济增长方式必定走到尽头，未来的发展必须走新型工业化道路，走资源节约型、环境友好型道路，对我国来说更是如此。”
虽然我国工业生物技术已有很好进展，几十年来已形成配套比较齐全的生物制造的研究、开发和产业化基础，但是华东理工大学生物工程学院院长张元兴教授却认为：“我国现在的生物制造工业是以廉价的劳动力和原材料以及对环境的损害为条件得到的。尤其在生物质能利用领域，其成本及规模经济效益，仍难符合当前经济和社会发展的需要。”
许多与会专家认为，我国非常需要加强工业生物过程的共性技术研究，提高生物制造产业效益，从而有效缓解能源短缺、石油
进口问题；加强对农作物的全面综合高效利用，增加农民收入，解决“三农”问题；加强对可再生的生物质的利用，发展循环经济及有毒有害污染物的
微生物降解、微生物污水处理等环境生物技术，改善我国日益恶化的生态环境；同时加强海洋病原微生物群体感应系统与海水养殖疫苗及药物的开发。
科学界与工业界应达成默契
据专家们的报告和讨论，目前发展的困难集中在如下方面：在生物学与工程学的整体有机结合方面缺乏深入研究；在生物系统工程基础研究方面，对一些关键科学问题和技术问题缺乏详细深入的研究；在先进生物制造的产业化领域，缺乏面向生物质综合利用的生物与工程整体解决方案；在资源共享方面，缺乏跨学科的生物系统工程及先进生物制造方面的系统知识及工程技术创新研究体系。
正是由于科学界与工业界存在的这些问题，限制了我国能源节约型和环境友好型先进生物制造产业的发展，阻止了工业生物技术的快速进步。
因此，许多专家学者认为，为加快工业生物技术的发展，应加强生物系统的构建和改良、过程优化及放大的生物学及工程学机理等基础理论，特别是生物过程的系统生物学的研究。生物过程的系统生物学的研究，是在生物过程的研究中引入系统生物学的理念，从全局和全过程的角度，采集工业生物过程各层次生物信息，进行信息分析、建模、相关代谢通路的调控和重构。这将有利于打破以往对工业生物反应过程认识的局限性，实现过程优化与放大的新突破，并可能为世界能源危机和环境污染等全球共同问题提供新的解决方案和技术手段。
专家们指出，这不仅会推动生命科学和生物技术的发展，而且将对整个国民经济、社会生活和人类本身产生重大和深远的影响。此外，还应采用系统生物学的方法设计和重构植物和微生物新品种，构筑先进生物制造业。这有利于提升农业和工业生物技术产业，开拓能源生物技术、材料生物技术和环境生物技术等先进生物制造产业领域。
专家认为，当前最需要的是，探讨如何促进生物学和工程学的整体有机结合，加快工业生物技术发展，提升农业和工业生物技术产业，开拓能源生物技术、材料生物技术和环境生物技术等先进生物制造产业。他们建议政府采取措施，切实支持系统生物学应用于生物制造过程的基础研究，同时加快建立和完善生物系统工程及先进生物制造的知识创新及工程技术创新研究体系。有关科技人员一方面要在生物系统工程基础研究方面争取国家“973”计划资助，以便对一些关键科学问题与技术进行深入研究；另一方面还要在先进生物制造的产业化领域，建立生物质利用的生物与工程整体解决方案。
发展态势良好
邓子新指出，随着微生物学、生物化学、分子生物学、基因组学、生物信息学和天然产物化学的飞速发展，微生物次生代谢产物的生物合成机理研究及其产量提高和结构改造，正经历着从化合物结构到生物合成基因、从单一代谢途径到系统生物学研究、从常规筛选到结构定向改造等全方位的变化。
他说：“尽管多学科的发展和交叉还未直接产生非常有显示度的成果，上述微生物次生代谢产物的系统性研究已经表现出强大的生命力和创造力。在每一个环节不断深入、完善，多个环节有机整合，越来越多相关研究人员加入，研究经费持续投入以及微生物次生代谢相关学科继续发展的大环境，微生物代谢工程的研究必将实现从质变到量变、从基础性到应用性的重要转变，产生显著的经济效益和社会效益。”
华东理工大学教授张嗣良在总评述报告中指出，生物反应器是利用细胞等生物活性材料进行物质转化的系统，在宏观上，主要指生物制造工业中的大型装置；而在微观上，作为生命活动基本单元的细胞，自身也可视为一种微型生物反应器。生物反应器工程学是生物学与化学及工程学等交叉形成的一门学科，对于推进生物技术的工程化和产业化，解决我国面临的人口与健康、资源与环境、材料与能源以及 “三农”问题，都将发挥不可或缺的作用。
正是由于人类基因组学的成功与带动，系统生物学得到迅速发展。de novo DNA合成、酶的计算机重新设计等一些基本技术，已取得里程碑性的突破。同时，由于一些被充分理解的模式调控系统可以用于受工程启发的分子装置的设计，为建造新的生物实体提供了强有力的知识和技术基础。受人工基因网络的设计、小基因组的重新设计、信号途径的重新规划、甲羟戊酸途径的代谢工程等成功应用的鼓舞，诞生了新的学科“合成生物学”，其目标是重新设计生物系统或生物系统的零部件，以达到实际有用的目的。
随着系统生物学的迅速形成，微生物发酵的基因组学、代谢组学、系统工程学正在健康发展。江南大学孙志浩说，以基因工程手段改造传统的发酵工业，已经被提到议事日程上。与发酵有关的工业微生物基因工程研究已成为发酵行业关注和追逐的热点课题。近年来开发的基因组改组技术改良发酵菌种尤为引人注目。
“通过系统生物学的研究，设计和重构微生物新菌种，提升工业生物技术产业，能源生物技术、材料生物技术和环境生物技术等新产业将取得快速进展。系统生物学将不仅推动生命科学和生物技术的发展，而且对整个国民经济、社会和人类本身产生重大和深远影响。”孙志浩说。
作者：
2007-8-11