系统生物工程与产业化
Industrialization of System Biological Engineering

   
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系统生物工程总纲

一、目标与宗旨

    系统生物工程是电脑科学与生物工程的整合,图式(系统)遗传学开辟了规模化分析与筛选药物的新方法和技术路径,在农业、医药和工业有广泛的应用前景。创建系统生物工程研究所,目标是以美国爱迪生发明公司为模式,面向产业化开展:一)规模化研究人类疾病的基因调控机理;二)规模化开发天然药物资源的系统筛选,将技术应用于农场种植、工业制药和临床治疗。

当今社会的竞争是高科技产业与管理的国际化竞争,建构高科技研发与管理系统的规模化企业,在全球化社会的人文与资源环境的竞争中将取得自组织化的发展优势。综合以色列、德国、英国研发模式,建立规模化、规范化、系统化、程序化的研发型企业机构,设置完善的开拓与稳妥、创新与精细、发展与监控协调的企业管理体制。

    采用基因生物技术和计算生物技术,从原理、方法上引进和开发国际最新系统生物科学的技术、工具,其中主要包括:一)基因克隆与分析技术、设备;二)细胞信号传导系统软件、数据库;三)特异性定点整合高效转基因技术。面对农场、医院、制药厂和大学合作,进行规模化、程序化项目立案、决策管理、协作研究、技术开发、传媒策划、市场营销,建立规模化生物医药资源开发系统和工程化、专家化医疗诊断治疗数据系统。

二、原理与背景

    二十世纪,爱恩斯坦、贝塔朗菲、弗洛伊德对统一科学理论的贡献,带来了综合哲学、系统科学的时代。科技创新 - 新型科技模式、后工业化文明,诞生现代科技的系统生物科学与工程、心身综合医学,将导致中西医药学与产业化的再一次相遇。二十世纪80-90年代,中国科学哲学届召开综合哲学、系统科学、人工智能与中国哲学、传统医药学,以及科学范式、近代科学诞生的系列学术讨论会,导致生物学领域学者探索生物系统的研究与应用开发。

    系统生物科学,采用系统方法、计算机技术、数学模型解决生物学问题,研究分子、细胞、器官、生态各个层次的生物系统,开创于贝塔朗菲(L.Von.Bertalanffy)一般系统论和理论生物学,产生了:1)、系统生态学(Van Dyne GM.1966)2)、系统生理学(Sagawa K.1973)3)、系统心理学(Edward B. Titchener.1929)4)、系统(综合)医学也即系统生物医学(system biomedicine, Kamada T.1992)5)、系统生物学(systems biology, Zieglgansberger W,Tolle TR.1993)6)、系统生物工程和系统(图式、结构)遗传学(system bio-engineering, system genetics, Zeng BJ.1994)等学科概念和方法,将带来整个产业的生物材料、能源、信息科技革命。

    中国曾(杰)邦哲1983-1994年探索系统科学、生物系统理论,1997-2006年研究细胞信号传导、基因表达调控。1986年撰写“生物系统泛进化论”,1991-1997年发表系列文章,1993年、1994年、1995年等国际会议,以及1996年创办第1届国际转基因动物学术研讨会(1stICTA)和筹建国际转基因学协会,阐述生物自组织信息系统及系统的结构、功能与演变和系统生物工程、系统医药学、输卵管生物反应器(oviduct bioreactor)等概念及发展趋势。1999年创建国际系统生物科学与工程英文网站,刊登“泛进化理论”网络版及英文目录、摘要等,并发布国际会议及通信,广泛连接相关资讯(系统、计算机、纳米、生物、医药科学和分维数学等),2002年、2003(19thICG)参与国际会议等,系统生物科学、工程、医学、技术等概念和词汇在21世纪初都于国际上涌现。

    日本Sony公司H.Kitano1999年国际会议(Hamamatsu Photonics Symposium)和2002年(Science)发表系统生物学论文,以及2000年创办第1届国际系统生物学会议。美国L.胡德院士2000年创建第1家系统生物学研究所,2001年(Annu Rev Genomics Hum Genet)发表系统生物学论文,产生了巨大的国际影响。从而导致了全球系统生物学研究机构的纷纷建立。 

    然而,系统(整合、综合)生物学,仍然处于将生物技术、生物信息学、信号传导的概念化和模型化。计算机科学领域也还只是借用生物学的一些概念、原理解决一些计算机运算问题。完整的系统生物科学包括三个方面:1)美国L.胡德的规模化分子生物技术和工程化仪器,2)日本H.Kitano的生物信息学和计算机软件,3)中国曾(杰)邦哲的基因群(genes group)系统遗传学与非线性细胞发生动力学。图式(系统、结构)遗传学,采用计算机模型、计算方法和生物技术实验,研究生命活动的理论机制、生物系统的逻辑结构、生物形态的系统动力学,将面临巨大的挑战与机遇。

    系统科学方法与原理源自坎农的生理学稳态机理和图灵的计算机模型及图式发生的研究中诞生。综合/合成生物学(synthetic biology),即,综合集成,包括实验、计算、系统、工程研究与应用,归属于仿生学与遗传学的整合 - 系统生物工程范畴。合成生物学改变过去的单基因转移技术,开创综合集成的基因链乃至整个基因蓝图设计,最终实现人工生物系统的制造。21世纪是系统生物科学与工程 - 也就是生物系统分析学与人工生物系统的时代,将带来未来的科技与产业革命。

   人工基因重组、转基因技术是自然重组、基因转移的模仿,还天然药物分子、生物高分子的人工合成是分子水平的仿生,人工神经元、神经网络、细胞自动机是细胞系统水平的仿生。随着从分子结构图式、信号传导网络、细胞形态类型到器官组织结构的多基因系统调控研究的系统遗传学,以及纳米生物技术、生物计算、DNA计算机技术和多基因转基因研究的合成生物学,已经发展到一个从分子、细胞到器官的人工生物系统(artificial biosystem)开发的时代。

三、经营与策略

    二十世纪,系统科学、计算机技术、生物工程、纳米技术、基因组技术等飞速发展,科学方法论从实证分析向系统综合转型。二十一世纪,系统集成、学科整合的生物物理联盟、工业生态网络将带来后工业化和谐社会。从生物进化论到生物系统泛进化论,系统生物科学与工程,以系统科学方法从实验、计算、工程等方面开创生物系统的研究与应用,包括生物系统分析与人工生物系统、系统生物医学与系统生物工程,而转基因生物反应器将导致农业、制药产业一体化的药物农场。

    生物系统的基本单元是细胞,从胚胎干细胞发育到神经、内分泌、免疫、循环等细胞之间系统结构形成,图式(系统)遗传学研究主要包括:一)信号传导、基因表达;二)细胞周期、细胞发生;三)神经网络、器官形成,等三个层次生物系统的基因自组织化与程序化表达。图式(系统)遗传学的应用,将从计算机和基因技术两个方向导致传统科学、产业的现代化,以及生物医药、生物工程的高科技产业化,主要包括规模化基因克隆、天然药物筛选和生物反应器的研究与开发。

    系统生物工程研发,面向生物天然药物(地方病和遗传病、衰老等疾病的分子机理和药物开发的规模化组学技术研发、合作与转让)、生物分子材料、生物能源技术、生物系统机器的农业、医药、环境、工业的生物高科技产业化。系统生物工程网络,也是生物实验、农业工程、医疗工程、制药工程、传媒艺术等仪器设备、化学试剂、电脑软件、工艺设计的销售平台、广告媒体。

(Structurity Bulletin 11/21/07 曾(杰)邦哲)

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