生物化工研究现状与发展趋势

生物化工研究现状与发展趋势

毛阳

身份证号码：341203199511130318

摘要：伴随生命科学的迅速发展，原本生物学的知识、技术和手段已经难以满足需求，而化学学科作为自然学科的“中心学科”，可以为生命科学的发展提供借鉴价值，并且两大学科交叉融合也可以创造新的课题和研究领域。本文将阐述生物化工研究目前的发展现状和发展趋势，通过生命科学和化学学科的各自发展，生物化工的发展框架，生物化工的重要性与必要性三个角度介绍生物化工发展现状，并论述跨学科融合、新阳光经济、手性催化这3大生物化工发展趋势。

关键词：生物化工；研究现状；发展趋势

21世纪传统化工产业在新技术和新背景的冲击下面临严峻的挑战，迫切需要学科融合实现结构转型。而生命科学技术的迅速发展为其提供了转型机遇，生命科学需要化学学科分子层面的研究方法与手段实现复杂问题的研究，而化学学科则可以汲取生物学的相关知识创造新的研究项目，激发学科活力。本文将从发展现状和发展趋势两个层面介绍生物化工这一新兴学科。

一、生物化工研究现状

1、化学学科和生命科学学科各自取得重大进步

化学被视为自然科学的“中心学科”，因为化学学科能够在分子水平上研究物质世界，是处理所有化学变化和联系众多自然学科的基础。而伴随分离技术的发展和科学仪器的进步，化学学科能够处理更加复杂问题，可以研究更复杂的分子体系。同时合成技术的发展也使得人类可以合成目前自然界发现的任何天然化合物，甚至可以在此基础上设计新的化合物。

生命科学在20世纪后期取得重大进步，具体表现为生物学与分子科学结合诞生的分子生物学取得了突破性的成就，其以遗传信息为核心在分子层对生命的本质与规律进行研究，对遗传信息的传递过程，即从DNA到RNA再到蛋白质分子的过程进行了更加深入的研究。并且伴随人类基因组计划的完成，生命科学的研究重点从结构基因转变为功能基因，研究对象回归到蛋白质组，研究目标也从医学和农学拓展出了第三个领域——生物催化。

2、生物化工发展的基本框架

生物化工技术在学科交叉的基础上，相比于原本的化工技术，从原材料和研究过程两方面进行了改善，具有成本低，效率高，环境压力低，可循环等优势。目前生物化工技术的发展以人类基因组为基础，通过已测定的人类基因组对功能基因和药物基因进行研究，研究的重点方向是蛋白质和肽类组学，目前对蛋白质组学的研究已经发展到对蛋白质功能的动态研究、过程研究和群体研究，可以解决更加复杂的研究课题。并且在已有资源和技术的基础上，生物化工研究通过酶工程、发酵工程、细胞和组织工程等具体项目应用到工业，医药学，农业等具体领域，对于生命进化、多型现象，蛋白质分子设计等领域具有重要的意义。

3、生物化工受到高度重视

二战后诺贝尔生理医学奖项多数与生物学和化学相关，两大学科领域取得了备受瞩目的成绩，其中重要的原因便是学科交叉创造的重大机遇，甚至有许多科学家预言21世纪是生物学世纪。而在1995年美国创办化学生物学杂志，1999年该杂志的影响因子便达到了6.157，超过了分子生物学，生物化工的发展成为了研究的热点。此外生物化工的发展同样具有必要性，一方面是传统学科自身发展动力不足，需要借助其他学科突破研究瓶颈，另一方面则是是面对传统化工苛刻的环境要求以及化工产物对环境的巨大压力，生物化工的发展顺应了社会发展的需求，在科学研究和产业转型上具有双重价值。

二、生物化工研究发展趋势

1、跨学科深度融合

生物化工作为一个新兴的学科，其发展建立在生命科学和化学学科已取得的研究成果之上，因而生物化工研究需要从理论到工程建立全过程的紧密合作关系。化学学科作为从分子层面研究物质世界的中心学科，其研究理论。研究方法、研究过程对于生命科学领域的研究具有重要借鉴价值，并且其分子结构和化学反应的原理也能够为生命科学创造新的课题和机遇。目前许多科学家都对两大学科交叉融合的前景十分看好，化学学科的渗透可以帮助科学家们更加深入地了解生命的本质与规律，深入到分子层面的研究也可以推动蛋白质组学的发展，帮助科学家更好地了解遗传信息的传递机制。具体到实践应用层面，生物化工的发展对于遗传疾病，癌症治疗等问题的解决具有重要价值，制药工业可以依托生物化工的理论成果开发出疗效好、副作用小、成本低的药物，为人类健康做出更大的贡献。

2、以生物化工技术为基础的新阳光经济

传统的阳光经济指依托化石能源进行能源、高分子材料、化学制剂与药物的制造与生产。这样做的弊端十分明显：一是对不可再生能源的过度依赖，可持续性低；二是生产过程条件严格，成本居高不下；三是传统化工工业产物处理成本高，处理不当对环境造成不可逆的破坏。而21世纪生物化工的发展催生出了现代阳光经济，通过对转基因生物原料的生物加工，生产生物能源、生物高聚物、生物试剂与药物，降低环境压力的同时也提高了产业发展的可持续性，可以有效缓解资源短缺问题，并且生物在生产过程中充分利用生物催化技术，常温条件下便可以进行作业，有效降低了生产成本。

生物化工技术在生物能源上的重要成果包括生物柴油，生物制氢，生物法制备乙醇等等。以生物柴油为例，其利用植物油和甲醇进行酯交换，从而制造脂肪酸甲酯这一清洁燃料，在传统的柴油中加入10%-20%的脂肪酸甲酯便可以得到优质的燃料、尽管这一方法因为原材料成本问题目前的可行性较低，但是伴随技术的进步以及原材料的探索，这将成为重要的替代能源。而在生物材料上，生物化工技术在可降解塑料这一问题上同样具有突出的理论成果，例如聚－α－羟基酸酯类，聚－β－羟基羧酸酯等。以聚－α－羟基酸酯类中的聚乳酸为例，将玉米发酵后的乳酸高压聚合形成高分子材料，透明度高、柔韧度和延展性均不逊色于传统的塑料，并且因为制作原料的多样化，这一材料的价格也有所调低。

3、手性催化

手性识别普遍存在于自然界的生命体和生物和活动之中，而制备手性化合物的主要方法便是生物法转化，这一方法转化率高，对环境的要求低，能够很好地应用于工业生产。以光学活性农药为例，其可以以较低的剂量便起到良好的药效，并且药物副作用较低，可以很好地提高经济效益。此外，药物手性与药效的关系对临床药物的发展在那具有重要意义，因为纯光学活性药物剂量少，副作用低，既可以缩短新药开发期，也可以起到更好的治疗效果，并且因为其生物化的生产过程，病人的接受程度会更高。在这样的背景之下，手性药物在原料、生产过程、治疗效果、市场接受度上均达到了良好效果，是生物制药发展的重要方向。尽管目前国内生物制药领域仍处于起步阶段，对手性药物的研究也有所不足，但是在手性药物的巨大的优势和国际认可度的背景之下，国内的众多研究机构和制药企业提高了对手性药物的重视程度，加大投入进行生产研发，不仅从生产技术上进行改革，更重要的是对制药模式的变革，通过生物化工技术的发展，推动技术革新、结构优化，创造更好的经济效益和社会效益，推动生物化工领域新一轮的变革。

三、结束语：

资源枯竭和环境恶化是我们迫切需要解决的问题，发展新型阳光经济和探索清洁生物技术是我们的发展方向。本文首先介绍生物化工的发展现状，从生命科学和化学学科各自的发展状况入手，进而介绍二则的交叉融合以及生物化工的整体框架，并且论述了其发展的重要价值。在第二部分本文阐释了生物化工未来的三大发展趋势，跨学科深度融合，新型阳光经济，手性催化，介绍了生物化工的经济价值以及社会价值。

参考文献：

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