本文關(guān)鍵詞：生物工程學(xué)應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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離子束生物工程學(xué)應(yīng)用 
 
 
關(guān)鍵字：離子束生物工程學(xué)    　　時(shí)間：2005年1月18日　　　　來源：科學(xué)時(shí)報(bào) 

 
上世紀(jì)８０年代中期，我國科學(xué)家進(jìn)行著一項(xiàng)鮮為人知的實(shí)驗(yàn)。他們將一束離子加速，注入到生物體內(nèi)，想看看實(shí)驗(yàn)體系中究竟發(fā)生了什
么。１９８６年終于發(fā)現(xiàn)，，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(xiàn)了黃色的條紋。人們深入研究了這一現(xiàn)象，并很快投入了應(yīng)用。

離子束在生物工程學(xué)中的應(yīng)用離不開對原初過程的理解。研究發(fā)現(xiàn)，離子束就像“手術(shù)刀”那樣可對生物體表面進(jìn)行刻蝕，留下一個(gè)個(gè)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(xì)胞。離子注入細(xì)胞時(shí)，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(huì)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(tái)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(gè)（組成分子的原子），引起級聯(lián)碰撞，被碰到的所有球都移動(dòng)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(xué)反應(yīng)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(yīng)物理化學(xué)過程是成功的。但是，中國科學(xué)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(xué)起源和星際分子形成中的作用”問題。天文觀察可知，太陽風(fēng)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(chǎn)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(shí)驗(yàn)證明，ＣＯ＋、ＣＯ２＋、ＣＨ４＋離子注入水可形成豐富有機(jī)分子；離子注入有機(jī)分子，只要實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中有氮參與，不管氮元素是有機(jī)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(jī)分子，有的還可以形成氨基酸，提示低能離子在生命化學(xué)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(xué)起源途徑的認(rèn)識(shí)，而且對開拓離子束生物工程學(xué)應(yīng)用提供了重要的基礎(chǔ)知識(shí)。

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(zhì)上，使原子分子移位、重排，最終按化學(xué)反應(yīng)規(guī)律重組ＤＮＡ分子結(jié)構(gòu)；或者，利用離子束加工細(xì)胞，在細(xì)胞壁形成可修復(fù)的小孔，改變孔底電性，促進(jìn)外源基因（組）轉(zhuǎn)入細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)在新的背景條件下的遺傳轉(zhuǎn)化。

離子束生物工程學(xué)從開創(chuàng)到技術(shù)系統(tǒng)建立到實(shí)際應(yīng)用才只有十年多的時(shí)間，已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上發(fā)揮了重要作用。

例如，離子束生物技術(shù)修飾的維生素Ｃ高產(chǎn)菌株產(chǎn)業(yè)化使我國維生素Ｃ行業(yè)在國際競爭中取勝就是個(gè)典型的例子。眾所周知，維生素Ｃ是我國戰(zhàn)略出口產(chǎn)品。２０世紀(jì)９０年代初，國內(nèi)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(jià)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(chǎn)菌株轉(zhuǎn)讓東北制藥和江山制藥，在３００噸罐試產(chǎn)，糖 － 酸克分子轉(zhuǎn)化率達(dá)到９４．８％，重量轉(zhuǎn)化率為１０２％。這就是說，１００公斤山梨糖可產(chǎn)出１０２公斤古龍酸（維生素Ｃ前體），幾乎接近菌種轉(zhuǎn)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(jù)業(yè)內(nèi)專家透露，現(xiàn)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(yīng)商，當(dāng)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(yīng)用離子束生物工程菌生產(chǎn)花生四烯酸技術(shù)，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(chǎn)，產(chǎn)品出口歐美、東南亞二十多個(gè)國家和地區(qū)。２００３年按歐盟食品標(biāo)準(zhǔn)通過認(rèn)證，吸引世界５００強(qiáng)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(chǎn)基地。

糧食安全是國家發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一。１９９７年，離子束生物工程學(xué)瞄準(zhǔn)改變雙季稻區(qū)稻農(nóng)雙搶時(shí)節(jié)緊張、艱苦、低效的耕作技術(shù)，創(chuàng)制一種即做早稻直播又做晚稻直播的水稻新種質(zhì)。經(jīng)過７年１４季的研究，終于開發(fā)出“雙季同種，聯(lián)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(chǎn)均在５００千克以上。經(jīng)農(nóng)業(yè)部稻米質(zhì)量檢測中心檢測，所有指標(biāo)達(dá)到部頒優(yōu)質(zhì)米標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)專家測算，新技術(shù)每畝每季節(jié)省費(fèi)用１８９元，配以機(jī)械化收割，一個(gè)稻農(nóng)可由原來只能耕作５畝發(fā)展到５０畝。這一新技術(shù)的核心在于雙季用同一個(gè)品種。如果品種不同，早稻品種收割時(shí)的落粒就變成晚稻品種的雜草，不僅影響晚稻產(chǎn)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(gè)儲(chǔ)存問題。國家每年花在水稻儲(chǔ)存上的費(fèi)用達(dá)數(shù)百億元，給財(cái)政帶來沉重負(fù)擔(dān)。１９９７年，離子束生物技術(shù)結(jié)合常規(guī)育種，創(chuàng)制了耐儲(chǔ)存水稻皖鑒２０９０，儲(chǔ)存４２個(gè)月發(fā)芽率仍在９８％，而日本耐儲(chǔ)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(xiàng)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(lián)合攻關(guān)，加快水稻及其他糧食作物耐儲(chǔ)品種的培育和推廣步伐，爭取早日解決糧食安全儲(chǔ)存問題”。

科學(xué)家預(yù)言，開發(fā)與人類健康有關(guān)的多種營養(yǎng)素集中到一種植物的技術(shù)是２１世紀(jì)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)發(fā)展方向之一。離子束生物工程學(xué)在這方面的應(yīng)用顯示其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

１９９８年夏天，合肥低溫多雨，西瓜賣不出去，瓜農(nóng)一季的辛苦白費(fèi)了。這種情況觸發(fā)了科技人員的靈感：“瓜農(nóng)既賣瓜又賣葉子就好了”。他們用離子束介導(dǎo)法把銀杏遺傳物質(zhì)導(dǎo)入西瓜，當(dāng)代在西瓜葉內(nèi)檢測到銀杏內(nèi)脂。如果這一性狀能穩(wěn)定遺傳，那西瓜葉將會(huì)像銀杏葉一樣值錢了。在２０００年中國首屆博士后學(xué)術(shù)大會(huì)上，報(bào)道這一實(shí)驗(yàn)的論文在９００多篇論文中脫穎而出，獲得了農(nóng)林口唯一的一等獎(jiǎng)。

后來的研究表明，在瓜葉、莖中含有銀杏內(nèi)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(zhì)譜和二級質(zhì)譜看，所有檢測到的銀杏內(nèi)酯都是Ｃ型。

為了開展離子束生物工程學(xué)應(yīng)用的研究，中國科學(xué)家發(fā)明了“低能離子束細(xì)胞修飾技術(shù)和裝置”，成為新領(lǐng)域研究的基本方法和經(jīng)典裝置。２００３年，國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局和世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織授予這一發(fā)明為“中國專利金獎(jiǎng)”。

現(xiàn)在，他們又開發(fā)出一個(gè)一個(gè)地向細(xì)胞預(yù)定位置投射離子的技術(shù)。中國科學(xué)院組織專家驗(yàn)收時(shí)指出，這是“我國離子束輻照技術(shù)的重大突破，必將大大開拓離子束的應(yīng)用范圍”。

這種單離子束細(xì)胞精確定位技術(shù)使科學(xué)家能選擇性地照射細(xì)胞、細(xì)胞核或細(xì)胞器，切斷基因，研究損傷修復(fù)、信號(hào)傳導(dǎo)、基因表達(dá)調(diào)控和發(fā)育生物學(xué)等熱點(diǎn)課題。

科技創(chuàng)新是一個(gè)民族立足的根本。離子束生物工程學(xué)作為新的交叉學(xué)科分支已經(jīng)走過了十多年的時(shí)間。到２００３年底統(tǒng)計(jì)，僅本實(shí)驗(yàn)室一家利用離子束生物技術(shù)育成１８個(gè)新品種大面積推廣，６個(gè)新菌株全部產(chǎn)業(yè)化，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上創(chuàng)造了３０億元的經(jīng)濟(jì)效益。

去年，中國科學(xué)院在知識(shí)創(chuàng)新工程總結(jié)材料中，將“離子束生物工程學(xué)”列為全院３１項(xiàng)“已經(jīng)取得的高技術(shù)領(lǐng)域?qū)ξ覈a(chǎn)業(yè)發(fā)展具有帶動(dòng)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(xiàng)“已培育出的新的科技增長點(diǎn)”之一，且作為建院５０年周年成果展８０余項(xiàng)成果之一。幾年來，安徽省人民政府連續(xù)獎(jiǎng)勵(lì)實(shí)驗(yàn)室４７萬元。 
 
“十五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目離子束應(yīng)用技術(shù)研究通過驗(yàn)收 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院         9月23日，由中國科學(xué)院等離子體物理研究所等單位承擔(dān)的“十五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目“離子束應(yīng)用技術(shù)研究”在北京通過了科技部組織的驗(yàn)收，科技部、中科院和國家自然科學(xué)基金委員會(huì)的相關(guān)負(fù)責(zé)人參加了驗(yàn)收會(huì)。

    驗(yàn)收專家委員會(huì)聽取了該項(xiàng)目的自評估報(bào)告、重大成果匯報(bào)和財(cái)務(wù)審計(jì)說明，審查了項(xiàng)目組提供的資料，觀看了關(guān)鍵設(shè)備和成果產(chǎn)業(yè)化影像，并對有關(guān)問題進(jìn)行了現(xiàn)場質(zhì)詢。專家委員會(huì)一致認(rèn)為：該項(xiàng)目在細(xì)胞型催化劑修飾及植物育種方面取得了一系列成果，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益突出。建議國家有關(guān)部門繼續(xù)支持該交叉技術(shù)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新，為國家糧食安全和生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

    據(jù)悉，離子束生物應(yīng)用技術(shù)是我國具有原創(chuàng)意義的新技術(shù)。該項(xiàng)目在實(shí)施過程中成功的研制出了單離子束細(xì)胞精確定位照射加速器，大大推動(dòng)了我國離子束技術(shù)的應(yīng)用。項(xiàng)目自主研發(fā)的“低能離子束細(xì)胞修飾技術(shù)和裝置”獲得國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局和世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織授予的“中國專利金獎(jiǎng)”，研制的6臺(tái)離子束生物關(guān)鍵裝置裝備了4個(gè)省、部級離子束生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和兩個(gè)國家生化工程技術(shù)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(yīng)用技術(shù)網(wǎng)絡(luò)。以該項(xiàng)目為支撐，國家發(fā)改委批準(zhǔn)兩個(gè)國家產(chǎn)業(yè)化示范工程項(xiàng)目和發(fā)酵技術(shù)國家工程研究中心。

    離子束生物應(yīng)用共性技術(shù)平臺(tái)的創(chuàng)建在“十五”攻關(guān)中取得二十多項(xiàng)國內(nèi)外有影響的重大成果。其中，離子束生物工程技術(shù)對Vc菌的改良及應(yīng)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(shù)催生了一個(gè)新的行業(yè)，幫助企業(yè)只用三年時(shí)間就跨入了世界第三大生產(chǎn)和供應(yīng)商的行列；利用離子束生物技術(shù)與常規(guī)育種相結(jié)合研發(fā)的耐儲(chǔ)存作物的篩選技術(shù)，對國家糧食安全儲(chǔ)存有重大意義，得到溫家寶總理親筆批示；“早晚兼用聯(lián)作直播水稻”的離子束育種技術(shù)為雙季稻帶來種植模式的變革；“十五”期間該項(xiàng)目共開發(fā)出16個(gè)新品種、有24項(xiàng)專利獲得授權(quán)。其相關(guān)研究成果被寫入《太空放射生物學(xué)》《核技術(shù)》《生物物理學(xué)》等教科書。

    實(shí)驗(yàn)室學(xué)科帶頭人余增亮研究員的專著《離子束生物技術(shù)引論》被美國Springer出版社作為“經(jīng)典著作”翻譯出版。翻譯者之一、美國Berkeley國家實(shí)驗(yàn)室的Brown博士在他擔(dān)任主席的第二屆離子束應(yīng)用國際會(huì)議上特別強(qiáng)調(diào)：“中國科學(xué)院等離子體所科學(xué)家和他的實(shí)驗(yàn)室開創(chuàng)了一個(gè)全新的、極具魅力的離子束應(yīng)用領(lǐng)域，并成為國際上這一領(lǐng)域的Leading team。他們的工作顯示：離子束技術(shù)造福人類有著極為廣闊的應(yīng)用前景”。

  本文關(guān)鍵詞：生物工程學(xué)應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。