【天下事】国外生物技术重点领域的发展态势
国外生物技术重点领域的发展态势
生物技术是二十一世纪的战略技术，有分析预测，到2100年生物技术将成为推动世界经济增长的主要技术动力，并在技术、经济、社会活动中扮演重要角色，同时也将在医药业、农业、食品制造、化工、环保、新能源以及传统产业改造升级等方面大放异彩，届时，生物技术将同信息技术一样，遍布人们生活的方方面面，并且将使世界的经济及社会产生根本性的变化。因此，世界各国都将生物技术作为战略性技术重点大力推动发展。
已经完成的人类基因组计划，和即将到来的后基因组时代，不仅使我们能够了解疾病发生的机制，从根本着手，更加人性化地诊疗疑难杂症，而且将对开发人类自身的潜能做出贡献，包括延长人的寿命，提高人的身体素质和生命的效率，揭开人类大脑思维的奥秘等；生物技术产业的发展，也将促进农作物的品种改良，提高农作物防病虫害的能力，同时为人类提供质量稳定、供应稳定、价格稳定、营养丰富的农产品；正在开展的环境生物技术的应用，将在治理环境污染、改善人类生活环境方面起着不可替代的作用；此外，生物可更新能源将为人类解决能源危机提供独一无二的方案。
随着SNPs、蛋白组学、糖生物学等功能基因组学的发展，以及转基因技术、干细胞技术、克隆技术等，特别是生物芯片技术、生物信息科学、生物大分子的功能研究、高密度发酵技术和蛋白质复性技术的发展等等，生物技术产业展现出了更加光明的前景。由此带来的经济效益和人们生活健康水准的提高是不可估量的。
1、 以蛋白组为重点的功能基因组研究成为技术与产业的战略要地
随着HGP图谱的公开，功能基因组学转而成为本世纪生物技术的领头羊。在后基因组时代，需要把丰富的基因序列数据提高到蛋白质结构和功能水平。研究蛋白质在疾病组织中的精确作用，确定与蛋白质有关的信号传导事件（例如癌症细胞的生长）的发生机制，可以更快地开发出高效、治疗精确的新型药物；了解各种蛋白质的相互关系、影响及其协调作用，进而分析蛋白质功能是如何被药物改变的，对于更好地确定药物的靶向性和预测药物的毒副作用有着深远的意义。到2010年，大多数制药学家将会极自然地以整合方式应用基因组、蛋白质组和化学方面的资料来开发新药和实现药物对任何个体的最适化。
当前，研究路线中的分离纯化、种类分析、功能预测以及相关数据库的构建、维护、数据的标准化等都面临着一系列的挑战，发展高通量和高精度的蛋白质相互作用检测技术也被科学家所关注，探索性的新技术不断涌现出来，例如二维液相色谱（2D-LC）、二维毛细管电泳 （2D-CE）、液相色谱－毛细管电泳 （LC-CE） 等新型分离技术都有补充和取代双向凝胶电泳之势；一以质谱技术为核心，开发质谱鸟***法（Shot-gun）、毛细管电泳-质谱联用（CE-MS）等新策略直接鉴定全蛋白质组混合酶解产物也成为广受关注的研究策略。
然而，由于蛋白质分子结构的精密性、复杂性，跟踪和分类人体内的数千个蛋白是一件极其复杂的任务，需要将生物学和计算机技术结合起来，拆解蛋白质的工具将成为生物技术发展的重点，高通量蛋白质芯片将成为后基因组的主要研究工具之一。此外，由于蛋白质组研究的最终目标是对所有的蛋白质和蛋白相互作用进行鉴定和定性，要采用计算的方法来预测功能，因此功能预测算法是目前研究的重点领域之一，蛋白质组未来的研究将要着重提高方法预测蛋白质功能的范围、准确度和精确性。
2、 生物芯片是基因组研究与新药开发的得力工具
生物芯片是继PCR技术后的又一次生物技术革命，主要分为基因芯片和蛋白质芯片两种。基因芯片目前开发较成熟，应用也较多。基因芯片技术由于其在高通量基因表达分析、大规模基因发现、DNA序列分析以及SNP分析中不可掩盖的技术优越性而必将在即将到来的SNP研究热潮和后基因组时代中大放异彩。它还是研究阐明药物作用机制潜在的强有力的工具，这类研究可以确定药物作用的靶基因，为新药筛选研究提供线索。因而，开发特异性高、检测容量大、灵敏度高、造价相对较低的新型应用基因芯片已是各国科技界、产业界共同瞩目的技术必争之地。
与基因芯片相比，蛋白芯片的进展势头非常看好，但距大规模的应用仍有一定距离；而Lab-on-chip离实用阶段则更远一些，但是它在临床上的应用前景是最值得关注的。蛋白芯片与药物的研发更接近，也贴近疾病的临床检测和诊断，未来“核酸+蛋白”的检测将为病人提供更确切的治疗方案（不过蛋白芯片的研发技术难度高于DNA芯片）。而lab-on-chip的核心在于它的制造工艺上，如何实现它对样品处理到检测分析的整合，如何大幅度提高检测的灵敏度和降低使用成本，这是实现其临床应用的最关键的因素。
生物芯片技术存在着的许多难题，将是下一步的技术竞争要点，例如技术成本昂贵、复杂、检测灵敏度较低、重复性差、分析泛围较狭窄等问题，这些问题主要表现在样品的制备、探针合成与固定、分子的标记、数据的读取与分析等几个方面。同时如何实现制备的机械化、标准化、规模化、低成本化也是下一步技术先机争夺的热点。因此，生物芯片领域正朝着以下几个方面发展：一是提高探针阵列的集成度；二是提高检测的灵敏度，如检测制备的优化组合和采用高灵敏度的荧光标记；三是研制新的应用芯片，如美毒理学芯片等；四是研制芯片检测系统；五是方法的标准化和降低成本。上述问题不仅是当今和今后一段时间内国内外生物芯片研究的焦点，也是生物芯片能否从实验室研究推向临床应用的关键。
实际上，生物芯片就是一个技术平台，随着微矩阵技术的发展，芯片的标准化、样本取得、处理和芯片杂交检测后的数据存储、分析、解读将成为人们关注的焦点。因此，与这一焦点密切相关的生物信息学技术的发展被认为是现代和未来生物技术的基石——
3、 生物信息学是破译生命密码和实现技术产业化的必由之路
基因组学、高通量筛选、组合化学、基因表达研究以及药物基因组学、蛋白质学的研究正在为我们带来大量数据资料，如何对这些数据进行标准化存储、读取、分析、实现从信息数据到生命信号的解读剖，是当前生命科学研究的重中之重，对这些数据的分析将决定谁可以从海量信息中“网”到“鱼”——实现生命密码的破译，实现生命科学技术的产业化。在把基因组信息和蛋白质组信息转变成产品的过程中，生物信息学起着关键作用，并已成为后基因组时代生命科学发展的核心和渐成规模的产业。
技术路线上，数据的收集与管理是生物信息学研究的基础，包括建立国际生物信息数据库和有效、安全传输这些信息的互联网系统，建立数据质量的评估与检验系统、数据信息的在线服务、可视化处理等方面。目前在这方面处于绝对领先地位的是美国、英国和日本，法国在数据库的综合索引和服务方面、以及数据资源整合平台建设方面做的较好；随着大量数据的不断积累，生物信息学一直面临着对这些数据进行生物学解读的艰巨任务，面向各种生物数据库的数据分析、数据挖掘、知识发现概念及相关的实现技术开始成为生物信息学的研究热点。
由于生物信息学的发展需要信息技术与生物技术的强强联合：生物技术公司需要IT业的参与来提供研究所需的IT基础，例如需要硬件公司提供处理大量数据的设备，而软件公司则提供收集、管理和分析这些数据的工具，因此国际上一些IT业集团公司，象IBM, Motorola Inc., Compaq Computer Corp.和Sun Microsystems Inc.都在设立生命科学研究部门，并纷纷投资生物信息学公司，以在此领域争取一席之地。领导着这次IT科技公司参与生物信息学领域研究的是计算机巨人IBM公司。不久的将来，全球必然形成IT业界与生物技术强强联合的局面，推动生物信息产业的迅猛发展。
未来生物信息学的快速发展将有赖于数据的整合处理，对不同来源的数据的有效整合处理主要有三个挑战：计算基础设施、数据模式和预测分析模式。计算基础设施包含数据存储和数据处理能力两个方面，数据建模的挑战是如何建立一个有用的、可发展的、可交互的生物学数据模式，而预测分析模式则在要解决如何高效、自动化地获取有用的科学假设的问题。
4、 干细胞研究技术潜力无限，应用前景广阔
干细胞尤其是胚胎干细胞的识别、分离、增殖、分化已经成为细胞生物学以及整个生命科学的研究热点，组织工程尤其是干细胞的研究，正在成为后基因组时代的极为关键的研究部分之一，此外，干细胞研究在新药开发方面的潜力也不容忽视。
干细胞在组织器官再造中的价值已成共识，尤其是胚胎干细胞，由干细胞体外培养诱导的细胞、组织和器官，用于移植时可避免免疫排斥。未来，一旦生物伦理得到科学和理性的规范，干细胞将在组织工程领域抢尽头采，逐步取代传统的异体移植。新药开发方面，干细胞将提供新药的药理、药效、毒理及药代等研究的细胞水平的研究手段。例如，人体多能干细胞研究将大大改变药品研制和安全性试验的方法，新药的疗效可以先用由多能干细胞培育的人类细胞系进行试验，比以往的用动物试验更加有效可靠。胚胎干细胞还可用来研究人类疾病的发生机制和发展过程，以便找到有效和持久的治疗方法。干细胞还是基因治疗的理想的靶细胞，因为它可以自我更新，治疗基因通过它带入人体中，能够持久地发挥作用，而不必担心象分化的细胞那样，在细胞更新中可能丢失治疗基因。
鉴于干细胞的技术潜力和产业战略意义，各国都设立专门计划投入大量资金进行干细胞技术的研究开发。例如，美国政府2000年起准许用政府经费进行人体胚胎干细胞研究；日本把干细胞技术视作在生命科学和生物技术领域超欧美国家的绝好机遇。在2000年度启动的“千年世纪工程”中把干细胞工程作为四大重点之一；英国医学委员会也在 2002年开始实施建立储存成体和胚胎干细胞的公共干细胞库的计划。
未来的干细胞研究将主要集中以下几方面：自我更新的机理，定向分化的机理，胚胎干细胞建系（尤为人胚胎干细胞），细胞移植和细胞工程，胚胎干细胞定向发育成三维器官，胚胎干细胞移植的安全性问题等等。干细胞的研究及应用，将会给人类带来全新的医疗手段，干细胞的广阔应用前景促使干细胞技术相关产业应运而生，将成为生物技术领域最热点产业之一。
5、 认知神经科学开始被发达国家纳入战略技术层面
生命科学与多学科的交叉研究正成为国际科学界的一种新的研究模式，生命科学正与信息科学、材料科学、物理科学、化学科学等联手共图发展。近年Bio-X、NBIC等概念的提出正体现了这样一种理念。美国2001年底提出的NBIC汇聚技术中特别涉及认知科学（包括认知神经科学），提出将当前四个迅速发展的科学技术领域——纳米科学与技术、生物技术（包括生物制药及基因工程）、信息技术（包括先进计算机与通信）、认知科学（包括认知神经科学）进行协同和融合研究、发展，并通过交叉研究，在认知科学层面最终使人类实现自我了解和自我控制，把人的知识、智能以及技能提高到新的高度。可以预见，认知神经科学这一兴起于20世纪90年代的交叉学科将在21世纪得到更多的关注和更快的发展。
认知神经科学由欧美国家发起，90年代初迅速发展起大跨度的多层次脑研究，1992年-1995年美国的M-P基金会连续资助了十个认知神经科学研究项目，欧洲一些主要国家也加强了相应的研究项目的资助力度。在美国形成了东西海岸两大研究中心，在欧洲，英、德、法等国也在努力开拓这方面的研究，起步较晚的德国也在1997-1999年间建立了最先进的认知神经科学试验基地。因此其领先技术仍为欧美国家所占有。
经过十几年的发展，认知神经科学的基本理论和方法学都取得了不少进展，但同时也存在不少问题。在理论方面，智能的本质和意识的起源是认知神经科学的基本重大理论问题，迄今为止出现了四大理论体系，但有些理论观点互相之间很难相容；在方法学上，认知神经科学包括两大类互补的研究方法：一类是无创性脑功能（认知）成像技术，另一类清醒动物认知生理心理学研究方法，这些方法虽然为人类科学增添了许多光彩，但远未满足认知神经科学研究的要求。因此，认知神经科学的发展道路还面临着相当多的伦理体系和技术路线上的难题，这也正是该领域目前的研究焦点和热点所在。
6、 生物医药技术的产业化是生物技术发展的终极目标之一
生物技术应用于医药领域、为人类的健康造福是生物技术发展的最主要目标，也是最各国投资、扶持的重点。生物医药技术包括两方面内容：一是利用生物体作为生物反应器，按人们意志来研究生产出医药生物技术产品；二是利用生物技术来改进或创造出新的诊断、治疗预防疾病的方法。基因组、生物芯片、生物信息学、干细胞等技术的发展热潮，无一不是瞄向其最终技术成果在人类健康领域的应用，因此，发展生物医药技术和产业是生物技术进展的终极目标之一。
生物技术在医药方面的应用主要包括诊断、治疗、改造更新传统药物（regenerative medicine）、疫苗、基因组/蛋白组研究以及生物技术药品。生物制药是生物技术的主要应用领域，有60—80%的生物技术成果应用于医药领域。90年代以来全球生物制药产品销售收入年均增幅持续为20-30%，大大高于一般医药销售的8-10%的增速；目前全球研制中的生物技术药物已超过2200种，其中 1700余种已进入临床试验阶段。生物药的主导产品是基因工程药、重组疫苗和生物诊断试剂，基因工程药物中以重组蛋白为主，如红细胞生成素、胰岛素，这两种基因蛋白药的销售额占蛋白质药物市场的40%，其它如白细胞介素、血液因子、细胞集落刺激因子等，个别市场占有率也超过10%。这些量少质高的基因工程药物，是支撑整个生物技术药物市场的主要产品。另外，单克隆抗体正逐渐成为生物技术药品中的明星产品。目前，全球正在开发的生物技术药品超过63%的集中在美国，21%在欧洲，日本占10%，其他所有地区一共才5-6%。
生物医药技术研发呈现以下新动向：在技术上，蛋白质工程技术日新月异，点突变技术、融合蛋白技术、DNA重组、定向生化、基因插入及基因大靶等技术使蛋白质工程药物新品种迅速增加。当前，第二代应用蛋白质工程技术制造的自然界不存在的新的重组药物正在逐渐取代第一代多肽、蛋白质类替代治疗剂；人类基因组的研究成果与生物信息学的结合将极大地加快生物技术新药的研究开发速度。药物新剂型开发上，目前研究的主要方向是开发方便、合理的给药途径和新剂型，如对药物进行化学修饰、制成前体药物、应用吸收促进剂、添加酶抑制剂、增加药物透皮吸收及各种给药系统等。
7、 生物安全的监管虽然纷争不断，但总体趋向一致
随着现代生物技术的快速发展，人类在通过利用各种生物技术来改变生物的生物学特性的同时，存在着对生物多样性、生态环境以及人体健康产生潜在危险的可能性。生物安全已成为各国政府、科技界、社会公众普遍关注的焦点。20世纪90年代以来，在一些国际组织（如APEC、OECD、WTO、FAO、CODEX等）召开的会议上对转基因作物的安全性及相关问题给予了更多的关注。有关机构已建立了旨在评价转基因作物安全性的框架体系。一些发达国家如美国、欧盟和日本已经做了大量的生物技术研究，并为建立转基因作物安全评价体系做了充分的准备。与此同时，这些发达国家把风险评估的重点放在转基因作物的安全上，而其安全管理法规重点用于环境释放和转基因作物种植的环境安全评价。
由于受技术发展水平、经济利益、公众接受程度等多种因素的影响，各国形成了各自不同的管理模式。主要有一产品为基础的美国模式、以公益过程为基础的欧盟模式和介于美欧之间的日本模式。宽松的美国模式的监管对象是生物技术产品，而不是生物技术本身。而欧盟认为，重组DNA技术有潜在危险，不论是何种基因、哪类生物，只要是通过重组技术获得的转基因生物，都要接受安全评价和监控，监管严厉。
随着生物技术的发展和应用领域的不多拓宽，生物安全问题将日益引起来自政府、科学家、以及普通市民的更多关注，因此生物伦理与安全规范有关法规措施有必要先行一布，以使生物技术给人类带来更多的福祉，最少的灾难。
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