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離子束生物工程學應用 
 
 
關鍵字：離子束生物工程學    　　時間：2005年1月18日　　　　來源：科學時報 

 
上世紀８０年代中期，我國科學家進行著一項鮮為人知的實驗。他們將一束離子加速，注入到生物體內，想看看實驗體系中究竟發(fā)生了什
么。１９８６年終于發(fā)現，，離子注入后的水稻種子如同搭乘阿波羅飛船太空旅行的玉米一樣，葉片上出現了黃色的條紋。人們深入研究了這一現象，并很快投入了應用。

離子束在生物工程學中的應用離不開對原初過程的理解。研究發(fā)現，離子束就像“手術刀”那樣可對生物體表面進行刻蝕，留下一個個納米尺度的微孔，后來的離子甚至比離子大幾十、上百倍的ＤＮＡ分子，也可由此注入細胞。離子注入細胞時，不斷把它的能量傳遞給被它碰撞的“靶”原子，自身的速度慢慢降下來。被它碰撞的靶原子如果獲得較大的能量，就會從原來的位置跑出來，也像注入離子那樣碰撞其他的靶原子。這就好比打臺球，主球（注入離子或從原位撞出的原子）擊中排列在一起的彩球（生物分子）中的某一個（組成分子的原子），引起級聯碰撞，被碰到的所有球都移動位置重新排列。最終，慢化后的注入離子、移位原子和本底元素在新的位置上重組，按化學反應規(guī)律形成新的分子。

這種規(guī)律用于解釋離子注入生物效應物理化學過程是成功的。但是，中國科學家并沒有就此止步，而是提出了新的命題，即“低能離子在生命化學起源和星際分子形成中的作用”問題。天文觀察可知，太陽風和星際分子間低能粒子占絕大部分。在原始大氣中，由于雷電、火山爆發(fā)、地殼放射性元素的衰變，都可能產生低能粒子。模擬星際分子或原始大氣組份離子，如Ｃ＋離子注入水，可形成甲酸、乙酸和丙酸，Ｎ＋離子注入水可形成氨水，而Ｃ＋離子注入氨水可形成三種氨基酸。后來的實驗證明，ＣＯ＋、ＣＯ２＋、ＣＨ４＋離子注入水可形成豐富有機分子；離子注入有機分子，只要實驗系統中有氮參與，不管氮元素是有機分子中所含有的還是來自注入離子，都有一定的幾率形成帶有氨基的有機分子，有的還可以形成氨基酸，提示低能離子在生命化學起源中或星際分子形成中的確發(fā)揮了重要作用。這種作用可以發(fā)生在海洋，也可以發(fā)生在陸地，再淌入海洋。

上述研究不僅增加了人們對生命化學起源途徑的認識，而且對開拓離子束生物工程學應用提供了重要的基礎知識。

所謂離子束生物工程，就是將人們希望的離子注入到遺傳物質上，使原子分子移位、重排，最終按化學反應規(guī)律重組ＤＮＡ分子結構；或者，利用離子束加工細胞，在細胞壁形成可修復的小孔，改變孔底電性，促進外源基因（組）轉入細胞，實現在新的背景條件下的遺傳轉化。

離子束生物工程學從開創(chuàng)到技術系統建立到實際應用才只有十年多的時間，已在工農業(yè)生產上發(fā)揮了重要作用。

例如，離子束生物技術修飾的維生素Ｃ高產菌株產業(yè)化使我國維生素Ｃ行業(yè)在國際競爭中取勝就是個典型的例子。眾所周知，維生素Ｃ是我國戰(zhàn)略出口產品。２０世紀９０年代初，國內有近３０家企業(yè)，出口占國際市場３０％左右，擠占了國際市場。于是，國際維生素Ｃ巨頭掀起價格大戰(zhàn)，使我國Ｖｃ行業(yè)損失慘重，到１９９８年，只剩下四家苦苦支撐。正是在這一年，維生素Ｃ高產菌株轉讓東北制藥和江山制藥，在３００噸罐試產，糖 － 酸克分子轉化率達到９４．８％，重量轉化率為１０２％。這就是說，１００公斤山梨糖可產出１０２公斤古龍酸（維生素Ｃ前體），幾乎接近菌種轉化率的極限，被喻為“自Ｖｃ二步法發(fā)酵發(fā)明以來的重大突破”，引起一場“間諜戰(zhàn)”。

據業(yè)內專家透露，現在，全行業(yè)都在使用新菌株。２００２年，我國Ｖｃ行業(yè)成為國際主要供應商，當年下半年就為國家新增外匯２０００萬美元，２００３年僅江蘇江山一家，創(chuàng)造利潤就有２億元。

再如，花生四烯酸是人體必需不飽和脂肪酸。但是，由于花生四烯酸資源限制，遲遲得不到開發(fā)利用。２０００年，為推廣應用離子束生物工程菌生產花生四烯酸技術，在武漢成立一家新公司——武漢烯王生物工程公司，２００２年建廠投產，產品出口歐美、東南亞二十多個國家和地區(qū)。２００３年按歐盟食品標準通過認證，吸引世界５００強之一的嘉吉公司投資，有可能建成世界上最大的花生四烯酸生產基地。

糧食安全是國家發(fā)展、社會穩(wěn)定的關鍵因素之一。１９９７年，離子束生物工程學瞄準改變雙季稻區(qū)稻農雙搶時節(jié)緊張、艱苦、低效的耕作技術，創(chuàng)制一種即做早稻直播又做晚稻直播的水稻新種質。經過７年１４季的研究，終于開發(fā)出“雙季同種，聯作直播”雙季稻種植新模式。

２００２、２００３年春秋四季由省、市組織專家跟蹤測評，每季畝產均在５００千克以上。經農業(yè)部稻米質量檢測中心檢測，所有指標達到部頒優(yōu)質米標準。據專家測算，新技術每畝每季節(jié)省費用１８９元，配以機械化收割，一個稻農可由原來只能耕作５畝發(fā)展到５０畝。這一新技術的核心在于雙季用同一個品種。如果品種不同，早稻品種收割時的落粒就變成晚稻品種的雜草，不僅影響晚稻產量，而且由于品種混雜而影響晚稻的商品性。

糧食安全還有一個儲存問題。國家每年花在水稻儲存上的費用達數百億元，給財政帶來沉重負擔。１９９７年，離子束生物技術結合常規(guī)育種，創(chuàng)制了耐儲存水稻皖鑒２０９０，儲存４２個月發(fā)芽率仍在９８％，而日本耐儲存水稻ＤＡＷ ＤＡＭ發(fā)芽率已降為零。溫總理非常重視，親自批示：“這是一項對保障國家糧食安全有重大意義的研究工作。要集中優(yōu)勢力量聯合攻關，加快水稻及其他糧食作物耐儲品種的培育和推廣步伐，爭取早日解決糧食安全儲存問題”。

科學家預言，開發(fā)與人類健康有關的多種營養(yǎng)素集中到一種植物的技術是２１世紀農業(yè)生物技術發(fā)展方向之一。離子束生物工程學在這方面的應用顯示其獨特的優(yōu)點。

１９９８年夏天，合肥低溫多雨，西瓜賣不出去，瓜農一季的辛苦白費了。這種情況觸發(fā)了科技人員的靈感：“瓜農既賣瓜又賣葉子就好了”。他們用離子束介導法把銀杏遺傳物質導入西瓜，當代在西瓜葉內檢測到銀杏內脂。如果這一性狀能穩(wěn)定遺傳，那西瓜葉將會像銀杏葉一樣值錢了。在２０００年中國首屆博士后學術大會上，報道這一實驗的論文在９００多篇論文中脫穎而出，獲得了農林口唯一的一等獎。

后來的研究表明，在瓜葉、莖中含有銀杏內脂的西瓜植株呈遞增趨勢。在每代種植的２００株中，第四代有６株、第五代９株、今年（第六代）１１株。從一級質譜和二級質譜看，所有檢測到的銀杏內酯都是Ｃ型。

為了開展離子束生物工程學應用的研究，中國科學家發(fā)明了“低能離子束細胞修飾技術和裝置”，成為新領域研究的基本方法和經典裝置。２００３年，國家知識產權局和世界知識產權組織授予這一發(fā)明為“中國專利金獎”。

現在，他們又開發(fā)出一個一個地向細胞預定位置投射離子的技術。中國科學院組織專家驗收時指出，這是“我國離子束輻照技術的重大突破，必將大大開拓離子束的應用范圍”。

這種單離子束細胞精確定位技術使科學家能選擇性地照射細胞、細胞核或細胞器，切斷基因，研究損傷修復、信號傳導、基因表達調控和發(fā)育生物學等熱點課題。

科技創(chuàng)新是一個民族立足的根本。離子束生物工程學作為新的交叉學科分支已經走過了十多年的時間。到２００３年底統計，僅本實驗室一家利用離子束生物技術育成１８個新品種大面積推廣，６個新菌株全部產業(yè)化，在工農業(yè)生產上創(chuàng)造了３０億元的經濟效益。

去年，中國科學院在知識創(chuàng)新工程總結材料中，將“離子束生物工程學”列為全院３１項“已經取得的高技術領域對我國產業(yè)發(fā)展具有帶動作用，對國家安全具有戰(zhàn)略意義的自主創(chuàng)新成果”之一和６９項“已培育出的新的科技增長點”之一，且作為建院５０年周年成果展８０余項成果之一。幾年來，安徽省人民政府連續(xù)獎勵實驗室４７萬元。 
 
“十五”重點攻關項目離子束應用技術研究通過驗收 合肥物質科學研究院         9月23日，由中國科學院等離子體物理研究所等單位承擔的“十五”國家重點科技攻關計劃項目“離子束應用技術研究”在北京通過了科技部組織的驗收，科技部、中科院和國家自然科學基金委員會的相關負責人參加了驗收會。

    驗收專家委員會聽取了該項目的自評估報告、重大成果匯報和財務審計說明，審查了項目組提供的資料，觀看了關鍵設備和成果產業(yè)化影像，并對有關問題進行了現場質詢。專家委員會一致認為：該項目在細胞型催化劑修飾及植物育種方面取得了一系列成果，經濟效益和社會效益突出。建議國家有關部門繼續(xù)支持該交叉技術領域的自主創(chuàng)新，為國家糧食安全和生物制造產業(yè)的發(fā)展做出更大貢獻。

    據悉，離子束生物應用技術是我國具有原創(chuàng)意義的新技術。該項目在實施過程中成功的研制出了單離子束細胞精確定位照射加速器，大大推動了我國離子束技術的應用。項目自主研發(fā)的“低能離子束細胞修飾技術和裝置”獲得國家知識產權局和世界知識產權組織授予的“中國專利金獎”，研制的6臺離子束生物關鍵裝置裝備了4個省、部級離子束生物工程重點實驗室和兩個國家生化工程技術研究中心，組成了向周遍省、區(qū)輻射的覆蓋全國大部分省區(qū)的離子束應用技術網絡。以該項目為支撐，國家發(fā)改委批準兩個國家產業(yè)化示范工程項目和發(fā)酵技術國家工程研究中心。

    離子束生物應用共性技術平臺的創(chuàng)建在“十五”攻關中取得二十多項國內外有影響的重大成果。其中，離子束生物工程技術對Vc菌的改良及應用，幫助我國維生素C行業(yè)在國際競爭中反敗為勝；花生四烯酸發(fā)酵技術催生了一個新的行業(yè)，幫助企業(yè)只用三年時間就跨入了世界第三大生產和供應商的行列；利用離子束生物技術與常規(guī)育種相結合研發(fā)的耐儲存作物的篩選技術，對國家糧食安全儲存有重大意義，得到溫家寶總理親筆批示；“早晚兼用聯作直播水稻”的離子束育種技術為雙季稻帶來種植模式的變革；“十五”期間該項目共開發(fā)出16個新品種、有24項專利獲得授權。其相關研究成果被寫入《太空放射生物學》《核技術》《生物物理學》等教科書。

    實驗室學科帶頭人余增亮研究員的專著《離子束生物技術引論》被美國Springer出版社作為“經典著作”翻譯出版。翻譯者之一、美國Berkeley國家實驗室的Brown博士在他擔任主席的第二屆離子束應用國際會議上特別強調：“中國科學院等離子體所科學家和他的實驗室開創(chuàng)了一個全新的、極具魅力的離子束應用領域，并成為國際上這一領域的Leading team。他們的工作顯示：離子束技術造福人類有著極為廣闊的應用前景”。

  本文關鍵詞：生物工程學應用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。