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

   
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第三次工业革命的契机 - 系统遗传学与合成生物学
The Third Revolution of Industrials - coupled with system genetics and synthetic biology

    当今世界正在发生第三次工业革命,我们不能再一次坐失良机。

    创新,以新的眼光看旧的事物就会导致创新。
    保守,以老的眼光看新的事物就是断送前途。

    当今世界正在发生一场科技模式的转型 - 生物(化学)物理工业、社会(心理)生物医学的形成,堪称以系统生物科学*的工程应用为特征的第三次工业革命[1],其核心学科是系统(图式)遗传学与合成生物学,将导致人工生物体(artificial organism)和智能机器人的人工进化[2]。

    系统生物科学与工程是系统科学、计算机科学、纳米科学、生物科学、医药科学、工程科学的整合形态,最典型的形态是从实证方法、分析逻辑、还原主义到系统方法、综合逻辑、整合主义的转型。

    系统生物科学与工程,即不是没有精细化分析的整体科学观,也不是没有系统化综合的还原科学观,还是实验与数学、还原与综合渗透的科学观[3],也就是分析元件、界定系统,然后建立元件与元件、系统与系统等之间结构与功能的发生演变动力学,并应用于工程、医药等的规模化开发。

    科学上往往由于非常简单的发现而导致了最伟大的革命。

    比如,
    1)日心学说,托密勒采用一个又一个极为复杂的圆圈来描述地球、太阳的运动规律,还改用日心学说就变得非常简单。
    2)血液循环,对人体机能的营养和血液的计算,一直迷惑中世纪的欧洲,还血液循环非常简单地解决了问题。
    3)从平的玻璃到突与凹的透镜,从一片到两片的透镜发明了显微镜与望远镜。
    4)从风车与鼓风机的结合发明了蒸气机,从纺纱机与织布机的结合发生了工业革命。
    5)从单个小孔成像实验到两个小孔成像实验发现了光的衍射现象,导致了光的波动学说。
    6)从声音的多普勒频率移动现象到光波的红移,导致了对宇宙大爆炸膨胀现象的发现。
    7)1953年华生和克里克在Nature上发表的一页很短的关于DNA结构的论文,导致分子生物学的时代。
    8)从单链引物的DNA测序到采用双引物的方法,导致了PCR技术的发明,并获得诺贝尔奖。
    9)从单链的反义RNA实验,到采用两条RNA的实验导致了RNAi的发现,并获得诺贝尔奖。
    10)从一个单基因的研究与转移技术到几个基因启动子相互调控的研究与转移,又导致了系统生物科学与合成生物学的革命。

    DNA分子的人工合成、基因的转移技术都不是当今正在迅速发展的合成生物学所发明,新近的发展是采用计算机与系统科学原理的遗传工程,创新的是系统方法的创新[4],也称为系统生物学的工程应用[5,6],或称为系统生物工程,最终的目的是发明细胞机器人或生物分子计算机,细胞制药厂或人造细胞工厂。

    第一次工业革命发生于18世纪的英国,也就是伯明翰与曼切斯顿的中西部,世界第一座铁桥和莎士比亚的故居都位于那里,以蒸汽机作为动力机的广泛使用作为主要标志。

    第二次工业革命开始于19世纪,以电气发明与广泛应用为显著特征。1866年,德国科学家西门子制成第一部发电机。1885年,德国卡尔·本茨成功制造了第一辆由内燃机驱动的汽车。19世纪70年代美国贝尔发明了电话,等。

    第三次工业革命,也许应该从电脑的发明、基因工程的应用到合成生物学、纳米技术、生物分子计算机、规模化天然药物开发等为特征,带来的将是工业、农业、医药一体化的后工业化社会。

  21世纪,工业网络系统或工业生态系统,将形成不同工业部门之间相互藕联的物质、能源循环系统,以及工业系统、社区系统与生态系统的偶合,住宅系统的水电、能源、生态、电讯等综合化设计。生物工业化,采用生物分子、细胞等有机元件制造生物系统仿生机器、人工生物系统制药厂,以及医药系统工程化与人工子宫繁殖系统等。

  *注:系统生物科学,包括系统生物学、系统医药学、系统(图式)遗传学、系统生物技术等一系列学科。

  参考文献:

[1]. Richard I. Kitney, Synthetic biology, engineering biologically-based devices and systems, Imperial college London, June 2007.
[2]. Yohei Yokobayashi, Ron Weiss, and Frances H. Arnold, Directed evolution of a genetic circuit, Proc Natl Acad Sci USA. 2002 Dec. 24; 99(26): 16587-16591.

[3]. 曾(杰)邦哲,《结构论 - 泛进化论》,湖南长沙,1994年5月.
[4]. Yiannis N. Kaznessis, Models for synthetic biology, BMC Systems Biology 2007, 1:47.

[5]. Catherine L. Ives, Cellicon biotechnologies: a systems biology company focused on anti-infectices, Boston University, March 2005.
[6]. George M. Church, From systems biology to synthetic biology, Molecular Systems Biology, 1:2005.0032.

(曾(杰)邦哲 12月10日/2007年)

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