SCIENCE AND PHILOSOPHY OF BIOSYSTEM

转基因生物反应器 Transgenic Bioreactor
- 系统生物工程学
- 图式遗传学

曾邦哲


  • 现代生物和计算机科技,一是从研究开发走向了产品化,二则从传播媒体走向了市场化;同时,生物科学和计算机技术又开始走向整合 - 系统生物工程学(system bio-engineering)。20世纪诞生了生物工程学,60年代为生化工程(发酵工程)、生物医学工程(人工器官),80年代为细胞工程、酶工程(生物传感器)、基因工程,80-90年代为转基因生物反应器、动物克隆技术、生物纳米技术、DNA计算机等。系统生物工程,一方面,应用系统科学方法、计算机数学,研究生物系统理论、生物技术的工程改造;另一方面,应用生物系统方法、生物工程,开发系统科学理论、计算机技术仿生工程等。从基因组到生物体的系统生物工程技术,将最终带来人工生物体、智能机器人的时代。

  • 人类改造自然界的生物种群,开始于人工筛选育种,继而人工杂交、人工诱变,20世纪发展了基因工程、转基因动物和动物克隆等生物工程技术。80年代,我国科学家朱作言国际上首先研制成功了转基因鱼。90年代,国内成功研制了转基因羊。转基因禽类生物反应器,包括肝脏和输卵管表达系统。1993年Ruslin 研究所的Sang博士成功在禽蛋卵黄表达外源蛋白。1994年我国曾邦哲首创了输卵管生物反应器的概念 – 转基因禽类金蛋计划(Goldegg Plan)。1996年在北京召开了第1届国际转基因动物学术研讨会(秘书长曾邦哲)和筹建了国际转基因学协会(IUT),至今已召开了5届会议,并得到了朱作言、旭日干、刘德培等我国著名科学家的参与和支持。动物克隆 –无性生殖技术,开始于1938年德国科学家施佩曼的蝾螈受精卵结扎实验。1961年我国科学家朱洗采用人工刺激蟾蜍成熟卵,成功研究了两栖类人工单性生殖。1962年,英国科学家J. B. Gurdon,采用核移植法成功培育了非洲爪蟾成体。1980年,美国生物学家P. C. Hoppe和日内瓦超微型外科专家K. I. Illmense,用胚泡细胞核移植方法成功繁育了小鼠。1997年英国I. Wilmut等,用绵羊乳腺细胞的细胞核移植到去细胞核的卵细胞中,成功得到了克隆羊“多莉”。

  • 生物体是一种多层次的复杂系统。从DNA、RNA到蛋白质构成基因表达调控的不同水平。从构成生物分子的基本元件到生物个体的系统整体,分成许多的系统层次和各层次的许多系统。细胞器与细胞、细胞与器官、器官系统等是不同层次的系统;因此,系统生物工程,对环境、农牧、医药和工业将产生深远的影响,很重要的一个关键是对系统及其组成的界定。生物系统核心的系统层次是细胞。图式遗传学(pattern genetics或structurity genetics),探讨基因组的程序化表达调控生物体的生理生化和形态发生过程。细胞内部信号传导与基因表达调控,细胞外部物质、能量和信号输入与输出,一同构成生物分子相互作用 -> 细胞动力学 -> 细胞系时空图谱的生物发生系统。基因组的功能,从核酸-蛋白质-脂类分子等到神经-内分泌-免疫细胞等的发生系统,体现为天然的计算机模型或基因-大脑的天然智能系统(genbrain,曾邦哲1999年)。

  • 从基因组学、蛋白质组学到代谢组学,系统生物科学及医学研究一系列基因程序化表达的正常、病理过程及与药物、环境的相互关系。计算生物学、转基因生物学是图式(系统)遗传学的技术基础,还图式遗传学是系统生物工程的理论基础。基因组的自组织化是生物的系统进化,生物体的自组织化是生物的个体发育,自组织化是生命活动 – 代谢、应激、繁衍的功能同构过程,也就是单细胞的细胞内在细胞器分工、细胞之间分化、器官系统协作、而形成生命功能的高层次化和精细化。比如,一个器官中的组织细胞有特定的功能,同时每个细胞又有完整生命的功能活动;但是,组织细胞失去了单细胞生物的独立生存能力,因而被禁闭在个体内成为一群细胞中分工化了的 - 即,组织化的细胞。分析基因组、蛋白质组到代谢组内部的分子之间相互关系的系统界定,成为图式遗传学分析系统的结构图式的基础,基因表达的图式、细胞分化的图式形成的是生物个体形体发生的图式,图式遗传学是建立在系统生物科学基础上的进一步探讨系统的结构、图式的形成。

  • 转基因生物,包括:1)改造次生代谢产物(biochemical modified)的转基因生药、工程微生物,2)改造蛋白质表达(expression modified) - 特异性高效表达外源蛋白质的基因工程、转基因生物,3)改造酶功能活性(protein modified)的蛋白质、酶工程,4)改造生物体形态(morphogenesis modified)的转基因花卉、发育工程等。转基因生物、无性繁殖技术,为生产药物提供了规模化生物反应器。生物反应器,从发酵工程、基因工程到转基因生物、动物克隆,导致了农场、药厂、医院的一体化生物科技产业化的后工业化社会。全球兴起的科技园(science technology park),为科技的“研究、产业、教育”一体化加快高科技产业化的经济发展提供了孵化器。科技、文艺研发是经济产业化的基础,从研发到制造、从传媒到贸易,构成科学、艺术与企业管理的文化衔接。

    参考文献:
    1). 曾(杰)邦哲,科技与社会互动演变,第2届全国科学社会学学术研讨会,天津,1992年4月.
    2). 曾(杰)邦哲,论系统生物工程范畴,转基因动物通讯,1994年6月.
    3). 曾邦哲,转基因动物表达系统-转基因蛋(Goldegg Plan)战略,转基因动物通讯,No. 11, Vol. 2 1994.
    4). 曾邦哲,转基因动物与结构遗传学,转基因动物通讯,No. 12, Vol. 2 1994.
    5). 曾(杰)邦哲,转基因鸟类输卵管药物表达反应器, 转基因动物通讯, No. 3, 1995.
    6). Zeng B.J., Transgenic avian used as oviduct bioreactor, International Symposium and Exhibition on Pharmacy and Biotechnology, Shanghai, China, July 15-20, 1995.
    7). 曾邦哲. 基因自组织结构及特异性表达调控的基础与应用研究, 转基因动物通讯, No. 6-8, 1996.
    8). 曾邦哲, 转基因动物的基础与应用研究, 生物技术通报, No. 6, 1997.
    9). 2006中国科协年会,北京,2006年9月16-20日(2006 China Association for Science and Technology Annual Meeting).

    1994年,曾邦哲《结构论 – 泛进化理论》,阐述系统生物科学(及医学)的发展趋势,国际首创系统生物工程、输卵管生物反应器和图式(系统-结构)遗传学等概念。

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