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前沿交叉生物技术及其应用研究报告

前沿交叉生物技术及其应用研究报告
前沿交叉生物技术及其应用研究报告

前沿交叉生物技术及其应用研究报告

——基于生物信息技术的集成创新与突破

摘要

在生命组学的基础上,生命科学正在迅速地向以整体和相互关系为研究本体的整合生物学(Integrative Biology)或系统生物学(Systems Biology)迈进。从整体上系统地认识生命过程,并在此基础上研发出提高人类健康水平和生活质量、推动社会可持续发展的生物技术和产品,将是21世纪生命科学研究和生物技术发展的主要方向。传统上单一、零散、小规模的生物技术方法以及现有的各种组学技术,已经难以适应这样整体水平的生命科学研究和产品研发的需求。集成多种生物技术以及与其他学科(数学、物理、化学、计算机和信息科学、医学、工程学)的交叉融合,发展前沿性交叉生物技术,已经成为现代生命科学研究和生物技术发展的迫切需求,也是发达国家制定和实施生命科学大科技规划的重要组成部分和关键战略制高点。集成生物信息技术―多种生物信息技术与生物数据获取、生物分析测试仪器设备软件系统的整合集成,将成为整个生命科学的核心技术之一,引领生命科学研究和生物技术发展。美国能源部2001年4

月提出的旨在了解生命奥秘的“从基因组到生命(Genome to Life)”的十年规划中强调:“21世纪生物学最重要的任务是在基因组水平上认识生命的奥秘。毫无疑义,达到这个目标将依赖于建立在系统生物学和生物信息学相结合基础之上的新一轮生物信息技术革命”。因此,基于生物信息技术集成创新的前沿交叉生物技术研究与应用的突破,并在此基础上研制全新概念的生物分析测试仪器设备,是未来我国实现生命科学研究与生物技术跨越式发展的重要保证,也是我国今后经济发展的重要驱动力,具有重要的战略意义。

前沿交叉生物技术将以国家科研目标和重大需求为导向,坚持863计划“有限目标、重点突破、加强创新、重视集成、推进产业、实现跨越”的指导思想,瞄准发展前沿,确定战略目标和重点方向,从高起点切入,力求在技术支撑和产品研发两方面取得重大突破,在前沿交叉生物技术发展的重要方面实现跨越式发展。

前沿交叉生物技术从整体上进行系统设计,研究与开发任务按照源头(原始性)创新、平台技术和重大产品三个层次安排。前沿交叉生物技术的重点研究方向包括:生物信息的获取、开发和利用;生物医学信息技术;复杂生物系统计算与仿真技术;化学基因组技术;药物分子设计技术;分子影像技术;高通量检测与生物芯片技术;新概念生物分析测试仪器设备研发。主要研究内容是:充分利用现代科学

技术飞速发展、多学科交叉融合的优势,建立高层次的生物信息获取、管理、分析和服务体系;开展基因组、蛋白质组、结构基因组和化合物数据的计算机发掘、处理、分析及可视化研究;重构基因调控网络、信号转导通路和生化代谢途径,从整体上理解基因和蛋白质功能;开展生物实验和生物分子的模拟设计,建立我国高通量、高内涵药物筛选、药物分子设计技术体系;发展分子和细胞水平上的实时动态成像技术,揭示基因表达和生物信号传递的复杂过程;开展微型化、集成化、自动化和并行化的生物检测技术研究,应用于疾病的预测、预防与个体化治疗;同时加强研究新的科研仪器和设备研发。构建服务于我国生命科学研究和生物技术发展的源头创新技术体系和仪器设备支撑系统,实现我国前沿交叉生物技术的跨越式发展。

通过国家科技计划的支持,获得一大批拥有我国自主知识产权的新技术和新仪器设备,大幅度提高我国生命科学和生物技术的创新能力;开发出一大批具有重要应用价值的新靶标、创新药物(农药)、新生物制剂,可用于生物制造、新能源和环境保护、促进特殊生物资源开发利用的新菌种、高活性酶制剂等,提高我国生物技术产品的国际竞争能力,为提高人类健康水平和生活质量、推动社会可持续发展奠定扎实的基础。

大力发展前沿交叉生物技术,必将显著提高我国生命科学研究和

生物技术的发展水平,显著提高我国重要疾病的预防和治疗水平,为提高我国人民健康水平以及全民族素质提供有效的技术保障;必将为我国生命科学和生物技术的全面发展提供有力的技术支撑,显著增强生物科技原始创新与技术创新能力,推动农业、医药、环保、生物制造、生物能源、促进特殊生物资源开发利用等生物技术及相关产业的发展。

目录

一、前沿交叉生物技术国际研究开发现状及发展趋势 (7)

(一)多学科的交叉融合推动生命科学、医药、生物制造、生物能源、环境保护和农业技术的整体发展,已经成为21世纪生物技术发展的必然趋势 (7)

(二)生物信息技术已经成为前沿交叉生物技术的重要核心 (9)

(三)复杂生命系统的计算与控制将是21世纪最重要的新兴交叉生物技术,将成为医学和生物学研究的核心驱动力 (10)

(四)化学基因组技术已经成为化学与生物组学相融合和交叉的新技术,是推动未来生命科学、医药、生物能源、生物制造和农业技术发展的关键技术 (14)

(五)药物分子设计技术是计算机和信息技术与创新药物研究相互交叉的重要应用领域,已经成为新药发现的核心技术 (17)

(六)生物医学信息技术是信息技术、分子生物学与临床医学的交叉融合,是后基因组计划研究成果在医疗领域应用的支撑技术 (19)

(七)分子影像技术是生物学和影像技术的交叉融合,是未来医学模式变革、生命科学和创新药物研究的关键技术 (21)

(八)高通量检测与生物芯片技术是近十年国际上正在迅速崛起的多学科交叉前沿技术,为生命组学研究、医药和农业技术以及未来医学应用提供支撑 (25)

(九)现代纳微机电加工技术与生物技术的融合,为新一代生命科学仪器设备的跨越式发展提供重要的保证 (26)

(十)药物靶标发现与确证是前沿交叉生物技术的一个重要研究领域,是发现新药的突破口 (29)

二、我国国民经济及社会发展对前沿交叉生物技术需求分析 (32)

(一)我国研究和开发基础 (32)

(二)我国与国际先进水平的差距分析 (42)

(三)我国前沿交叉生物技术需求分析 (45)

三、总体目标、重点任务和主要研究内容 (53)

(一)总体目标 (53)

(二)指导思想 (53)

(三)具体目标 (55)

(四)主要研究内容 (56)

(五)需突破的关键技术 (60)

(六)可能实现的重大突破 (61)

四、项目设置 (62)

(一)专项 (62)

(二)专题 (67)

五、组织管理措施 (75)

(一)顶层设计,加强技术集成 (75)

(二)项目牵引,发挥基地作用 (76)

(三)以人为本,注重人才培养 (76)

(四)产学研结合,整体推进 (76)

六、生命科学前沿交叉生物技术专项目标实现后,对相关技术领域及产业发展影响的预测分析 (77)

一、前沿交叉生物技术国际研究开发现状及发展趋势

(一)多学科的交叉融合推动生命科学、医药、生物制造、生物能源、环境保护和农业技术的整体发展,已经成为21世纪生物技术发展的必然趋势

从整体上系统地认识生命过程,在此基础上研发出提高人类健康水平和生活质量、推动社会可持续发展的生物技术和产品,将是生命科学研究和生物技术发展的主要方向。传统上单一、零散、小规模的技术方法,已经难以适应现代生命科学研究模式以及生物技术发展和产品开发的需求。例如,在生命组学基础上,生命科学的研究模式发生了根本的变化,正在迅速地向以整体和相互关系为研究本体的整合生物学或系统生物学迈进。系统生物学是在经典实验生物学、生物大科学、系统科学和计算数学等基础上形成的一门交叉科学。进行系统生物学研究,解决生物能源、生物制造、农作物品质改造、发现新的药物作用靶点等,都需要经典实验生物学和生命组学技术平台,需要计算科学、数学、信息科学等学科的理论和工具,需要在细胞、组织、器官和动物水平获取、检测和分析各种生物参数的技术及相应的仪器设备,更需要新一代数据挖掘、存储、分析、仿真控制的生物信息和计算生物技术;同时,要研制出既能解决人口健康问题,又能创造巨大经济效益的新药,必须应用前沿交叉生物技术,仅仅用于新药筛选的高内涵筛选(High content screening)技术就前沿应用了分子影像技

术、生物信息数据挖掘技术和生物数据统计分析技术等。因此,多种生物技术以及生物技术与其他学科(数学、物理、化学、计算机和信息科学、医学、工程学科)的前沿交叉,已经成为后现代生物技术发展的必然趋势,也将成为生命科学整体发展的主要推动力。

发展前沿交叉生物技术,引起了主要发达国家政府和科研院所的高度重视,力图抢占生命科学前沿交叉这一关键领域的制高点。2004年初,美国国立健康研究院(NIH)提出了生命科学研究的路线图(Road-Map)计划,提出要在生化代谢途径和基因调控网络、代谢组学、生命组学数据标准、结构生物学、小分子化合物库的建立、医学生物信息学和计算生物学、纳米医学技术、多学科交叉、基于系统生物学的临床医学等方面,进行前瞻性的布局和大规模的资金投入,新建数十个新的学科交叉研究中心,搭建一大批新的技术平台。英国在本世纪初也提出了e-Science科学研究计划,联合全英计算机领域、生物信息技术领域的著名科学研究机构,发展前沿交叉生物技术,为高水平的生命科学研究提供技术平台,通过生命科学前沿交叉领域的发展推动英国生命科学的进一步研究。

人类基因组计划完成以后,美国能源部在2001年4月提出了旨在了解生命奥秘的“从基因组到生命(Genome to Life)”的十年规划中强调:“21世纪生物学最重要的任务是在基因组水平上认识生命的奥

秘。毫无疑义,达到这个目标将依赖于建立在系统生物学和生物信息学相结合基础之上的新一轮生物信息技术革命。”,并进一步提出:“从基因组到生命计划的中心任务是在今后十年里完成国家的相应基础设施建设,以实现不断产出的海量生物学数据和生物学知识与以生命组学、生物信息学和计算生物学为基础的新生物学的整合”。相应基础设施包括:新的数据库体系、高性能计算能力和网格(Grid)体系,生物学数据分析和模拟的技术体系,生命过程的多信息融合和可视化技术体系等。这说明生物信息技术将成为生命科学、医药、农业技术、生物能源、生物制造和环境保护的核心技术之一,引领整个生命科学研究,成为医药、生物能源、环境保护、农业和生物技术发展的关键驱动力。

(二)生物信息技术已经成为前沿交叉生物技术的重要核心

生物信息学在创建后的很长一段时期内,一直被认为是一个建立在DNA序列和蛋白质序列比较基础上的学科,目的是发现进化关联,并由此进行功能类比。然而,随着生命科学的不断发展,新数据类型的不断出现,生物数据量的海量增长,生物信息学研究已经突破了原有的模式,发展了一系列新的生物信息学研究方法,系统地分析生物体内蛋白质分子或代谢途径间的相互作用、发现生物系统赖以运转的最小构成单元集合及其基因调控的规律等。近年来,基因调控网络分

析、蛋白质-蛋白质相互作用连锁图谱构建等方面的研究也取得了较大的进展,为深入进行系统生物学研究奠定了基础。另一方面,生物信息技术发展也非常迅猛,从以往的对DNA和蛋白质序列进行比较、编码区分析、分子进化分析技术,发展到大规模生命科学数据的高性能计算技术、大规模数据整合和挖掘技术、知识发现技术、信息数据的可视化技术、关系型数据库技术、XML数据交换格式、Web Services 技术和网格技术等。

生物信息技术的研究范围也扩展到比较基因组学、基因表达和调控网络分析、蛋白质组数据分析、蛋白质结构与功能分析、代谢网络分析、蛋白质设计、酶活性改造、药物靶点发现等领域。基于生物信息技术发展起来的生物学数据整合技术手段和方法、生命系统虚拟现实和模拟技术已经成为系统生物学的一个不可缺少的重要组成部分。生物信息技术也是各种生命组学(蛋白质组学、结构基因组学、代谢组学、药物基因组学等)的研究重要手段,近期发展的许多生物分析测试技术,如高通量检测生物芯片技术、分子影像技术、高内涵药物筛选技术等,更是离不开生物信息技术。因此,生物信息技术已经成为前沿交叉生物技术的核心。

(三)复杂生命系统的计算与控制将是21世纪最重要的新兴交叉生物技术,将成为医学和生物学研究的核心驱动力

以复杂生命系统的计算与控制为技术核心的系统生物学是继生

命组学之后生物学的一个新兴的交叉研究方向,代表着二十一世纪生物学的未来。系统生物学主要是在系统科学思想的指导下,采用数学、物理、化学、计算机等各个学科与生物学研究相结合的方法,在整体上系统、定量地研究生物过程,借助和发展多学科交叉的新方法和新技术,研究功能生命系统中所有组成成分的系统行为、相互联系以及动态特性,进而揭示生命系统设计与控制基本规律。系统生物学不仅使我们全息地了解复杂生命系统中所有成分以及它们之间的动态关系,还可以预测系统一旦受到了刺激和外界的干扰后的行为,据此寻找治疗疾病的前沿性方法。因此,系统生物学研究对整个生命科学的发展以及医药工业和临床实践将具有重要的意义。由于研究体系的复杂性和研究手段的多样性,单一生物技术已经不能胜任系统生物学的研究,高水平上的学科交叉,尤其是物理学、数学、工程学、信息和计算科学的引入已经成为进行系统生物学研究的基础和前提条件,同时,系统生物学的研究也呼唤和催生着以学科交叉为基础的新的生物技术的不断涌现。

作为系统生物学的关键技术支撑,复杂生物系统的计算和控制可以分为两个分支,一是数据挖掘工作,即如何从大量的实验数据中找出隐含的规律,并在此基础上提出假设;二是基于生物系统的模拟进行分析,利用计算机模拟检验理论假设,并提供可进行体外或体内实

验验证的方案。

多细胞生物的计算和模拟要实现基因→细胞→组织→器官→个体等各个层次的整合。系统科学的核心思想是“整体大于部分之和”;系统特性是不同组成部分、不同层次间相互作用而“涌现”出不同于单个组成部分的新的性质;对系统部分或低层次的组成成分的个别分析并不能真正地预测和获知系统高层次的行为。如何通过研究和整合去发现和理解涌现的系统性质是复杂生物系统的计算和控制面临的一个带有根本性的挑战。

系统生物学的研究可以使人们更好地模拟生物系统的行为,从而可以有针对性地寻找最合适的纠正病态系统的干预手段,发展系统的药物治疗方案。同时,由于对系统行为的准确模拟,还可以预测个体疾病的发生,从而提出预防措施和进行个性化医疗。国际上一些研究机构和制药公司已经相继展开了系统生物学的研究。1999年,美国成立了以诺贝尔奖得主Gilman教授为首的由52位杰出科学家组成的细胞信号传导联合研究体(AFCS),其目标是在5年内绘制B淋巴细胞和心肌细胞中1000个蛋白质相互作用网络的详细图谱。美国能源部科学办公室发布的“从基因组到生命(GTL)”计划将于2007年之前拨款一亿零七百万美元,对生命现象进行基本、深入和系统地了解。美国西雅图的系统生物学研究所计划筹集2亿美元的经费,用于嗜盐

菌、酵母、海胆和小鼠等模式生物的大规模基因调控和蛋白质相互作用网络的研究。大型制药公司Eli Lilly宣布将在未来五年内投资1.4亿美元用于系统生物学研究。

复杂生命体系的计算和控制技术在信号传导网络分析、药物的吸收、分布、代谢、排泄/毒理(ADME/T)预测、抗癌药物的设计方面开始显示出重要的影响。例如针对表皮生长因子信号传导网络的研究,通过构建信号传导网络,建立了100个以上的与蛋白质-蛋白质结合、酶催化反应、基因转录相关的方程,进行动力学模拟,成功地分析了该途径的复杂行为,为更有效地开展针对表皮生长因子信号传导网络的药物设计提供了基础。在药物的早期ADME/T预测方面,计算系统生物技术主要是通过构建化合物在体内的复杂代谢网络来进行预测。在癌症治疗方法方面,由于癌症是一种鲁棒系统,单一的微扰(单一给药)难以达到破坏整体系统稳定性的目的,这也是为什么到目前为止癌症的有效治疗方案还很少的原因之一。

复杂生命体系的计算和控制技术的发展将给药物研发的整个过程,包括有效靶标的识别及相互调控关系、针对信号传导网络的有效药物设计、药物ADME/T的早期预测以及复杂疾病治疗方案的设计等方面,带来革命性的变化,是21世纪最重要的新兴交叉生物技术之一,将成为医学和生物学研究的核心驱动力

(四)化学基因组技术已经成为化学与生物组学相融合和交叉的新技术,是推动未来生命科学、医药、生物能源、生物制造和农业技术发展的关键技术

与靶标蛋白、核酸或其他生物大分子特异性结合的小分子,是研究基因功能的有效工具。这一在传统药理学上被用于研究药物作用机理的方法现已被广泛地应用于基因功能的研究,并在此基础上发展成一门新的学科—化学遗传学(chemical genetics,有人也称之为化学生物学(chemical biology))。人类基因组计划的完成,促使基因功能研究发展到基因组水平,与此对应,化学遗传学技术也推向基因组规模,产生了化学基因组(chemical genomics或chemogenomics)技术。化学基因组学的目标是为基因组中的每一个生物大分子(主要是蛋白质)寻找一类特异性结合小分子化合物(天然产物或合成化合物),再用这些化合物为探针研究基因组的功能以及发现新的药物作用靶标、途径和网络。化学基因组技术为功能基因组研究提供了一条新的思路、策略和方法。运用化学基因组技术研究基因组的功能,其产出至少有两种,即基因的生物学功能和调控基因功能的活性化合物。因此,化学基因组技术在药物作用新靶标的发现与确证和新药先导化合物的发现中有较大的潜力。由于这一特点,化学基因组技术受到各国政府、科研机构和大制药公司的高度重视。例如,最近美国国立健康研究院(NIH)推荐的路线图计划(NIH Roadmap) [ https://www.wendangku.net/doc/e712236851.html,/]的五个

研究方向中,专门设立了化学基因组研究方向。1999年哈佛大学化学系更名为“化学与化学生物学系”,以Schreiber和Mitchison等倡导成立了多个学院、多个学科交叉的“化学与细胞生物学研究所”(Harvard Institute of Chemistry and Cell Biology) ,在国际上较早开展化学基因组学研究。这一研究所的目标是实现Schreiber教授提出的“一个基因一个化合物(one gene one compound)”计划,即为每一个基因发现一个调控其功能的小分子化合物,用于功能基因组研究和药物开发。耶鲁大学基因组和蛋白质组研究中心(Yale University Center for Genomics and Proteomics)专门成立了化学基因组研究小组,从事化学基因组新技术及在功能基因组研究中的应用等方面的研究工作。化学基因组技术在药物作用新靶标发现方面的研究也引起国际制药公司的高度重视,如Eli Lilly公司基于化学基因组技术,发展了一种创新药物新模式—“小分子引导的药物发现模式(ligand-directed drug discovery model)”,即以小分子化合物为探针,进行功能基因组研究,发现新靶标,在此基础上发现创新药物;Iconix是专门从事化学基因组技术进行新药发现与开发的公司,近年来在药物新靶标的发现与确证以及在化学基因组研究的基础上开发新药等方面有较好的技术积累和产品开发,发展了化学基因组新药研究专用技术 DrugMatrix。

近几年来,化学基因组技术在发现新基因功能和阐述基因调控通

路方面取得了较大的进展,解决了许多遗传学方法不能解决的问题,与基因组和功能基因组技术形成了较好的互补和交叉融合。一系列重要的信号传导途径,如FXR信号传导途径、一些新的G蛋白偶联受体(GPCR)和核受体的信号传导途径,被化学基因组方法阐明。这些结果说明,化学基因组技术在功能基因组研究中有其独特的优势,与功能基因组技术(蛋白质组、结构基因组等)紧密结合,将会在今后的功能基因组研究中发挥更大的作用。化学基因组技术在药物作用新靶标发现方面具有独特的优势,以现有的药物或活性天然产物为探针发现新的信号传导途径和新候选靶标,在靶标发现的过程中同时也对靶标进行了初步的确证,因此,用化学基因组技术发现的获选靶标成为药物筛选靶标的可能性比较大。最近,Eli Lilly公司正在运用化学基因组技术进行激酶组学(kinomics)研究,目的是获得激酶的功能及与疾病关系的信息,发现新激酶、激酶的新功能及其抑制剂,继而开发成新药。

化学基因组技术是化学合成、生命组学、生物信息学、计算生物学、药物化学、药物筛选等技术的前沿交叉技术,在功能基因组研究中确实有其独特的优势,与生命组学(蛋白质组、结构基因组、代谢组等)技术紧密结合,将会在今后的功能基因组研究、药物作用靶标发现和创新药物研究中发挥重要作用。

(五)药物分子设计技术是计算机和信息技术与创新药物研究相互交叉的重要应用领域,已经成为新药发现的核心技术

药物分子设计是计算机和信息技术与新药研发的相互交叉的重要应用领域,是计算化学、化学信息学、结构生物学、药理学等学科的交叉集成技术,其功能是根据药物作用靶标的结构特征、药物作用的机理或调控途径,前沿应用计算机、信息和计算技术,设计具有潜在药理功能的新化学实体(new chemical entity),包括小分子化合物、多肽、核苷酸和蛋白质,目的是缩短新药研发(R&D)的周期,节约新药研发的成本。药物分子设计的发展始于20世纪60年代。自20世纪80年代中期开始,药物分子设计应用于创新药物先导结构的发现和优化,并取得突破性进展。20世纪90年代,药物分子设计技术已作为一种实用化的工具介入并应用到了药物研究的各个环节,现已成为创新药物研究的核心技术之一。

目前,美、英、日、德、法等许多发达国家都在积极支持这方面的技术发展和应用研究,国际上许多制药公司也纷纷投资建立药物设计部门。近年来,已有许多应用药物设计技术获得成功的药物上市,2002国际处方药销售排行前十名的药物,如Pfizer的Lipitor、Merck 的Zocor和Astra Zeneca的Losec,在研发过程中,药物设计技术发挥了重要作用。据2003年Drug Discovery World统计,药物设计技术在新药研发过程中节约的直接费用是1.3亿美元,缩短研发周期0.9

年(合创造利润10~100亿美元)。因此,药物设计技术在实用化的基础上获得了更多的认可和更广泛的推广应用,在当今药物公司专利药到期高峰来临,许多药物公司在投资进行R&D时更加理性的时候,投资药物设计的经费逐年增加,2002年国际上17家大制药公司的R&D投资情况表明,药物设计占总投资的25%。

近年来,计算功能强大的超级计算机、集群式计算机(Cluster)以及网格计算在药物设计中的应用,特别是基于这些计算工具的虚拟高通量筛选技术(High Throughput Virtual Screening, HTVS)的发展,使药物分子设计无论是速度还是成功率均有了突飞猛进的提高,给药物先导结构的发现带来了新的机遇。药物设计技术也改变了药物筛选的模式,从原先的in vitro(体外筛选)→in vivo(体内)发展为in silico (计算筛选机)→in vitro(体外筛选)→in vivo(体内筛选)。许多公司已将HTVS作为发现药物先导结构的核心技术,并作为今后药物开发的新方向给予重点支持。美国结构生物信息公司(Structural Bioinformatics, Inc., SBI)利用HTVS方法为美国Johnson和日本Yamanouchi等几大制药公司设计了一系列先导化合物,在药物设计和新先导化合物发现研究领域处于国际领先地位;IBM、Informax、Johnson和Yamanouchi等计算机、生物信息和制药公司纷纷投注大量资金支持SBI进行新药研究;Protherics生物技术公司设立在英国的

Protherics Molecular Design Ltd.发展了高通量虚拟筛选方法DockCrunch, 目前正用此方法针对雌激素受体筛选一百多万个化合物的数据库;另一个发展势头较好的药物设计公司是美国的Locus Discovery Inc.(LDI), 该公司是一个新的计算机药物设计公司,成立于1999年,其核心技术是HTVS和计算蛋白质组方法,利用这些方法为大制药公司设计先导化合物,LDI公司仅用两年时间,即得到了具有促进血红细胞生长功能的小分子化合物和高活性的抗HIV分子。

目前,基因组计划以及后继蛋白质组、结构基因组和代谢组等计划的实施,也正在深刻地影响着药物设计技术的发展。药物设计技术与生物信息技术的结合,已经应用于药物作用新靶标的发现与确证;基于各种生物组学研究产生的基因调控网络通路(网络)的药物设计方法正在发展之中;与计算系统生物计算的结合,应用虚拟细胞和数字化器官甚至数字化人体筛选和评价药物,是今后药物设计技术发展的一个重要趋势。

(六)生物医学信息技术是信息技术、分子生物学与临床医学的交叉融合,是后基因组计划研究成果在医疗领域应用的支撑技术人类基因组计划的完成及功能基因组、蛋白质组等研究工作的展开,实验室中进行的基因组研究计划正面临着应用的挑战。正如上个世纪90年代,应用需求推动信息技术的飞速发展一样,基因组研究

也必将由于应用需求(如个性化医疗、临床医学诊断、分子药物设计等)的促进而得到快速发展,其中个性化医疗将是基因组计划应用的重要领域,由此也推动组织、加工、处理、分析基因组数据及临床数据的生物医学信息与系统技术的迅速发展。

美国NIH年起动路线图(Roadmap)计划的一个重要目标是为医学研究铺设一条未来的“信息高速公路”,内容是建立一批(4个)国家生物医学计算中心。欧盟第六框架中基因组学和与健康有关的生物技术方向,重点强调基因组学知识和技术在医学领域的应用及个性化医疗;欧盟的E-Health计划强调生物信息技术与医学信息技术的融合,建立个性化医疗保健系统。

国际上著名的医学信息学组织,如EFMI(欧洲医学信息学联盟)、AMIA(美国医学信息学学会)、IMIA(国际医学信息学学会)等在每年召开医学信息学会议上都有一个主题:研讨生物医学信息技术及发展。欧洲医学信息学协会已将“新的挑战:医学信息学和生物信息学的结合”列为2005年日内瓦MIE大会的副标题。国外在生物医学信息学方面已经开展的研究,涉及数据、标准、分析、应用等若干层面的生物信息与医学信息结合应用问题。

未来10年内,医生将通过病人的基因组数据与Internet上可获得的数据库(药物、群体数据、临床档案)进行比较来进行疾病诊断及

国内外生物医药前沿科技发展趋势

国内外生物医药前沿科技发展趋势 王萍姚恒美 上海图书馆上海科学技术情报研究所 2005 年全球生物技术产业总产值达到633 . 1 亿美元,研发投入达到232 亿美元,年增长率为11%。其中生物医药依然是生物技术中最引人注目的领域。研究人员在药物设计、疫苗研究、抗体工程、新型药物输送技术等方面已取得众多突破。尽管目前我国在生物医药产业规模上仍落后于欧美等发达国家,但近年来在癌症治疗、蛋白质、免疫学等生物医药研究领域取得了长足的进步,成果屡次登上《科学》、《自然》等顶级国际权威期刊,并受到生物医药企业的高度关注。 一、国内外生物医药前沿技术发展趋势 药物设计 以核酸为靶的药物设计重要研发领域主要涉及两个方面:一方面是反义核酸、核酶与三链DNA的设计及其在医药领域的应用;另一方面是以核酸为靶的小分子药物研发。 目前全球约有20 余家公司在从事反义核苷酸的研究与开发,其中有23 种试用于临床,其中 4 种已进入三期临床试验阶段。反义核酸药物主要研发方向包括抗癌抑癌、抗耐药、免疫类、细胞因子类、抗病毒等。目前,反义药物方面己取得重大进展,第一代产品(Eyetech 公司用于抑制老年人眼疾的Macugen )己有上市,第二代反义产品也己形成。核酶具有高度特异性,作为抗病毒基因治疗的新型分子,受到了广泛的重视,被认为是抗病毒基因治疗方案设计中重要探索方向。2004 年 6 月,美国宾夕法尼亚州立医学院开发出了一种抗乙肝病毒的SNIPAA盒式微型载体。该类研究在国内已有开展,中科院微生物研究所自2001 年起开展“核酶介导的果树抗类病毒基因工程”的研究。R 卜A干扰不仅可以深入揭示细胞内基因沉默的机制,而且还可以作为后基因时代基因功能分析的有力工具,广泛用于包括功能基因学、药物靶点筛选、细胞信号传导通路分析、疾病治疗等等,近年来已成为遗传学、药理学的重要研究手段。目前中国科学家也己纷纷开展了该项研究,国家自然科学基金等已立项支持。 疫苗研究 以美国为例,疫苗的需求每年增长8 . 6 % ,到2008 年时市值将达74 亿美元,到2013 年疫苗市值将达91 亿美元。其中先进技术应用趋向包括异质基础加强结种技术、蛋白质调控技术、类病毒技术、转基因技术等。美国细胞基因系统工程公司应用基因技术研制出一种新型的肺癌疫苗G 一V AX ,被视为运用修改过基因的活体细胞治疗癌症上的一个重要突破。 抗体工程 抗体分子是生物学和医学领域用途最为广泛的蛋白分子,通过细胞工程、基因工程等技术制备的多克隆抗体、单克隆抗体、基因工程抗体可广泛应用在疾病诊断、治疗及科学研究等领

机械工程方向国内外现状与发展趋势

机械制造技术国内外现状与发展趋势 新中国建立后持别是近三十年来,机械制造技术发展速度很快,向机械产品大型化、精密化、自动化和成套化的趋势发展,在有些方面已经达到或超过了世界先进水平。而且这一时期还没有结束.只要我们能够用好科技发展规律并勇于创新,我国的机械制造技术还将向更高的水平发展.重新引领世界机械工业发展潮流。 现代意义上的机械制造技术主要有以下几个方面的特点,第一,机械制造技术具有工程性的特点:在现代意义上,机械制造技术充分强调计算机技术、传感技术、信息技术、管理技术、以及自动化技术的融合,要求在机械制造技术的应用全过程当中,实现与传统机械制造技术的融合,从而确保整个系统性的工程能够实现能量流、信息流、以及物质流的相互契合;第二,机械制造技术具有综合性的特点:现阶段,对于现代机械制造技术的应用目标在于——确保企业的综合竞争实力能够得到提升,并为国家经济水平的增长“添砖加瓦”。从这一角度来说,现代机械制造技术的应用并不会被局限在制造过程的框架中,还应当覆盖到制造过程的前后阶段,形成一个完整的整体;第三,机械制造技术具有统一性特点:即在市场经济发展不断发展的过程当中,相关企业为了能够赢取在参与市场竞争过程中的绝对优势,最需要解决的一点问题是:将发展的重点从对劳动生产率的提升,转变成为以时间、成本、和质量为中心的提升。而在现代机械制造技术当中,就充分实现了上述要素的有机结合,实现了技术应用的统一性;第四,机械制造技术具有全球性特点:随着现代经济社会的不断发展,全球经济一体化建设进程日益加剧,西方发达国家大多是通过金融、科技、以及信息的方式实现对市场占有份额的扩大,这直接导致了整个市场竞争行为的激烈性。为了更好的与此种发展趋势相适应,就需要通过对机械制造技术的应用,将其与现代高新技术充分融合,以达到支持制造业全面发展的目的。 在现阶段的技术条件支持下,我国现代机械制造技术所取得的发展成效主要体现在柔性制造、虚拟制造、以及敏捷制造这几个方面。首先,对于现代机械制造技术中的柔性制造技术而言,其所指的是:建立在成组技术的基础之上,以常规意义上的数控机床(可以为不同的类型、以及多台台数)以及数控柔性机床指导

生物工程的发展历史

1.2 生物工程的发展历史 与一般所理解的生物工程是一门新学科不同的是,而是认为在现实中可以探寻其发展历史。事实上,在现代生物技术体系中,生物工程的发展经历了四个主要的发展阶段。 食品与饮料的生物技术生产众所周知,像烤面包、啤酒与葡萄酒酿造已经有几千年的历史;当人们从创世纪中认识葡萄酒的时候,公元前6000,苏美尔人与巴比伦人就喝上了啤酒;公元前4000,古埃及人就开始烤发酵面包。直到17世纪,经过列文虎克的系统阐述,人们才认识到,这些生物过程都是由有生命的生物体,酵母所影响的。对这些小生物发酵能力的最确凿的证明来自1857-1876年巴斯得所进行的开创性研究,他被认为是生物工程的始祖。其他基于微生物的过程,像奶制品的发酵生产如干酪和酸乳酪及各种新食品的生产如酱油和豆豉等都同样有着悠久的发展历史。就连蘑菇培养在日本也有几百年的历史了,有300年历史的Agarius蘑菇现在在温带已经有广泛养殖。 所不能确定的是,这些微生物活动是偶然的发现还是通过直观实验所观察到的,但是,它们的后继发展成为了人类利用生物体重要的生命活动来满足自身需求的早期例证。最近,这样的生物过程更加依赖于先进的技术,它们对于世界经济的贡献已远远超出了它们不足为道的起源。 有菌条件下的生物技术 19世纪末,经过生物发酵而生产的很多的重要工业化合物如乙醇、乙酸、有机酸、丁醇和丙酮被释放到环境中;对污染微生物的控制通过谨慎的生态环境操作来进行,而不是通过复杂的工程技术操作。尽管如此,随着石油时代的来临,这些化合物可从石油生产的副产品中以低成本进行生产,因此,进行这类化合物生产的工业就处于岌岌可危的境地。近年来,石油价格的上涨导致了对这些早期发酵工艺的重新审视,与前面所讲的食品发酵技术相比,这类发酵工艺相对简单而且可进行大规模操作生产。其它关于有菌生物技术的典型例子有废水处理和都市固体垃圾堆肥。长期以来,人们利用微生物来分解和去除生活污水中的有毒物质,及像化工业产生的小部分工业毒害垃圾。目前世界上进行的发酵工程中,利用生物工程进行污水处理的规模是最大的。 将无菌消毒技术引入生物工程 20世纪40年代,由于大规模微生物培养这个复杂的生物技术的引入,生物工程的发展开始了新的方向,从而确保那些需要将污染微生物排除的特殊生物过程得以进行。因此,通过对培养基和生物反应器的提前灭菌消毒以及用来消除新进入的污染物的工程供应,生物反应中就只留有所选的生物催化剂。诸如此类,在生物工程中占有极大份额的产品有抗生素、氨基酸、有机酸、酶、多糖和疫苗。大部分这样的过程是复杂的,成本昂贵,仅适于高附加值产品的生产,尽管这类产品的产量较大,但采用食品与酿造生产中较老的生物技术,它们的规模与商业回报都是很小的。生物工程的新领域在最近的十年里,分子生物学和过程控制取得了长足的发展,不见开创了生物工程应用的新领域,同时还大大提高了已有生物工程工业的效率和经济性。正是由于这些发现和发展,才会有对于未来生物工程在世界经济中所扮演角色的良好评价。 (a)基因工程对于重要的工业用生物基因组的有性重组或突变操作一直是工业遗传学家革新目录中的组成部分。重组DNA新技术包括温和的进行活细胞破碎、DNA提取、纯化和利用高度专一性的酶进行随后的有选择性切割;对目的基因片断分类、鉴定、筛选和纯化;用化学方法将目的基因连接到载体分子的DNA上及将重组DNA分子导入选择的受体细胞进行增值和细胞合成。重组DNA技术可较简便的进行基因组操作,而且可避免物种间与属间的不相容性。无限可能性是存在的,人类胰岛素与干扰素基因已导入了微生物细胞并进行了表达。原生质融合、多克隆抗体制备和组织培养技术(包括从细胞培养上清液中进行植物的再生)的广泛应用对生物工程的发展有着深远的影响。(b)酶工程酶分离工程一直是许多生物技术过程的组成部分,而且随着允许对生物代谢产物进行重新利用的更适合的固定化技术的发展,它们的代谢产物可被进一步利用。利用固定化细菌的葡萄糖异构酶生产高果

未来机械工程的发展趋势

未来机械工程的发展趋势 21世纪以前,科学与技术着重于认识自然世界,不断提高人类生存能力;21世纪科技将更多地着眼于认识人类自身,不断提高人的生命质量。 在21世纪里,就制造业来讲,发明和发展了汽车、机床、机器人、飞机、火箭、芯片、计算机、电视机等成千上万的机电产品,极大地改变了人类的生产方式和生活方式 展望未来,21世纪将更加伟大、更加辉煌。制造业将出现更多意想不到的奇迹。生产的汽车不仅会跑,可能还会飞;制造的飞机将更快、更安全;高速列车和磁悬浮列车将飞驰在祖国的原野;智能仪器装备和智能机器人将按照人们的要求高效率、高质量地制造产品;微型机器人将能进入血管清理“垃圾”、修补心脏;人们可用分子组装技术组装出理想性能的微器件;掌上工具可能是计算机、可视电话、电视、音响和网络的集成,等等。 未来机械工程科学发展的总趋势将是交叉、综合化;柔性、集成化;智能、数字化;精密、微型化;高效、清洁化。智能机器人及仪器设备、微型机电系统、高效柔性、智能自动化制造技术将日趋成熟,并被市场所接受;可重构制造系统的理论与技术和适合我国的制造模式将得到完善和发展;在机构学、摩擦学、仿生机械和仿生制造等领域我国将进入世界先进行列;我国科学家问鼎诺贝尔奖将不是天方夜谭。制造业在制造科学技术的武装下将全面现代化,国家由于制造业创造的财富而更加昌盛繁荣。人民的生活将更加富裕潇洒。 信息科学、材料科学、生命科学、纳米科学、管理科学和制造科学将是改变21世纪的主流科学,由此产生的高新技术及其产业将改变世界。与以上领域交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿生机械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造系统等是21世纪机械工程科学的重要前沿。 半个世纪以来,我国的机械工程科学得到了很大的发展,我们已经建立了较完善的学科体系,在学科前沿、技术创新和工程应用诸方面取得了突出成就。 新技术在制造业中的应用,使得被人们称作“夕阳产业”的机械制造业不断涌现新的希望,唤发新的活力。从起初“规模型”、“成本型”到“质量型”,再到现在的“快速响应型”无不展示其适应市场竞争,求生存、求发展的勃勃生机。 围绕着以满足个性需求为宗旨的新产品开发与竟争,一场以大制造、全过程、多学科为特征的新的制造业革命正波澜壮阔地展开。这是二十一世纪知识经济新时代下制造业的趋势,同时也预示着其未来的可持续发展方向——全球化、信息化、智能化。 高技术改变制造业 当今日新月异的科学技术发展,展现出了更多的科学发现和技术发明前景。信息科技、生命科学和生物技术、纳米科技的突飞猛进与相互交织影响,成为新一轮科技革命的重要标志。高技术的迅猛发展,同样对制造业的发展起到了推动、提升和改造的作用。高技术对制造业的改变是全面的和连续不断的,包括影响制造业未来的发展方向、重心领域、科技前沿、核心要素等,这里就几个重大方向问题做些说明。 一、高技术改变制造业——尺度向下延伸

分子生物学的研究及发展

分子生物学的应用及发展 摘要:本文在文献检索的基础上,对分子生物学的发展简史,基本原理,研究领域等作了简单介绍,阐述了分子生物学在人们日常生活中的应用并结合药学专业着重讨论了其在药学及中药开发发面的应用,并进一步对分子生物学未来的研究技术、方向和前景做了展望。 一前言 生物以能够复制自己而区别于非生物。生命现象最基本的特征是进行“自我更新”。进行“自我更新”体现了一种最高级和最复杂的运动状态。这种运动就是生物机体从环境中摄取物质和能量,以更新本身的物质组成,而山现生长、繁殖,在这样的过程中保证了将自身的特征传给历代;同时也不断地向环境输送一些物质和释放能量。在生物机体的组成物质中,防水分外,有各种无机盐类和各种有机化合物。其中生物大分子——核酸和蛋白质在进行自我更新运动中,以其功能的重要性占第一位。为探索生命现象的本质问题,产生了分子生物学这一学科[1]。 分子生物学(molecular biology)是从分子水平研究生命本质为目的的一门新兴边缘学科,它是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学,是当前生命科学中发展最快并正在与其它学科广泛交叉与渗透的重要前沿领域[2]。 分子生物学的最终目标是远大的,从产生基本细胞行为类型的各种分子的角度,来理解这五类行为类型:生长、分裂、分化、运动和相互作用。即分子生物学力图完整地描述细胞大分子的结构、功能和相互联系,从而理解细胞为什么要采取这种方式[3]。 分子生物学作为一门新兴的边缘学科。它的迅速发展及其在整个生命科学领域的广泛渗透和应用,促使人们对生物学等生命科学的认识从细胞水平进入分子水平。在农业、畜牧、林业、微生物学等领域发展十分迅速,如转基因动植物等。在医学领域,为医学诊断、治疗及新的疫苗、新药物研制等开辟了新的途径,使医学科学中原有的学科发生分化组合,医学分子生物学等新的学科分支不断产生,使医学科学发生了深刻的变革,不认识到这一点就很难跟上科学发展的步伐。 分子生物学的发展为人类认识生命现象带来了前所未有的机会,也为人类利用和改造生物创造了极为广阔的前景。 二分子生物学发展简史 分子生物学的发展大致可分为三个阶段[4-7]:

生物工程的最新进展和研究热点

当今世界,我们所处的这个时代,是科学技术飞速发展、知识信息爆炸的知识经济时代,世界各国都在相互竞争,竞争的焦点集中在科学技术上,谁的科技发达,谁的综合国力就强大。 现在世界七大高新技术分别是:现代生物技术、航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、新能源技术和新材料技术。 其中生物技术列在首位,生物技术之所以令世界各国如此重视,是因为它是解决人类所面临的诸如食物短缺、人类健康、环境污染和资源匮乏等重大问题上有着不可比拟的优越性,还因为它与理、工、农、医等科技的发展、与伦理道德、法律等社会问题都有着密切的关系。 高新技术的重要特征之一是学科横向渗透,纵向加深,综合交错,发展迅速。所以世界各国争相投巨资发展,确定生物技术为21世纪经济和科技发展的优先领域。 基因工程 基因工程( 又称DNA 重组技术、基因重组技术) , 是20 世纪70 年代初兴起的技术科学, 是用人工的方法将目的基因与载体进行DNA重组, 将DNA 重组体送入受体细胞, 使它在受体细胞内复制、转录、翻译, 获得目的基因的表达产物。这种跨越天然物种屏障, 把来自任何生物的基因置于毫无亲缘关系的新的寄主生物细胞之中的能力, 是基因工程技术区别于其他技术的根本特征。 基因工程技术是一项极为复杂的高新生物技术, 它利用现代遗传学与分子生物学的理论和方法, 按照人类所需, 用DNA 重组技术对生物基因组的结构和组成进行人为修饰或改造, 从而改变生物的结构和功能, 使之有效表达出人类所需要的蛋白质或人类有益的生物性状。基因工程从诞生至今, 仅有30 年的历史, 然而, 无论是在基础理论研究领域, 还是在生产实际应用方面, 都已取得了惊人的成绩。首先,基因工程给生命科学自身的研究带来了深刻的变化。目前科学家已完成了多种细胞器的基因组全序列测定工作。其次, 基因工程具有广泛的应用价值, 能为工农业生产、医药卫生、环境保护开辟新途径。 基因组研究应该包括两方面的内容:以全基因组测序为目标的结构基因组学和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学,又被称为后基因组研究,成为系统生物学的重要方法。 我国在结构生物学研究方面具有较好的基础。60年代,我国科学家在世界上首次人工合成了胰岛素;70年代初又测定出1.8 埃; 分辨率的猪胰岛素三维结构,成为世界上为数不多的能够测定生物大分子三维结构的国家,这些研究工作处于当时的世界先进水平。 基因克隆是70年代发展起来的一项具有革命性的研究技术,可概括为∶分、切、连、转、选。 "分"是指分离制备合格的待操作的DNA,包括作为运载体的DNA和欲克隆的目的DNA;"切"是指用序列特异的限制性内切酶切开载体DNA,或者切出目的基因;"连"是指用DNA连接酶将目的DNA同载体DNA连接起来,形成重组的DNA分子;"转"是指通过特殊的方法将重组的DNA 分子送入宿主细胞中进行复制和扩增;"选"则是从宿主群体中挑选出携带有重组DNA分子的个体。基因工程技术的两个最基本的特点是分子水平上的操作和细胞水平上的表达,而分子水平上的操作即是体外重组的过程,实际上是利用工具酶对DNA分子进行"外科手术"。DNA克隆涉及一系列的分子生物学技术,如目的DNA片段的获得、载体的选择、各种工具酶的选用、体外重组、导入宿主细胞技术和重组子筛选技术等等。从不同的重组DNA分子获得的转化子中鉴定出含有目的基因的转化子即阳性克隆的过程就是筛选。目前发展起来的成熟筛选方法如下:(一)插入失活法 外源DNA片段插入到位于筛选标记基因(抗生素基因或β-半乳糖苷酶基因)的多克隆位点后,

机械工程技术发展前沿报告

学校代码: 学号: 机械工程技术 发展前沿报告 报告作者: 学科:机械工程 报告提交日期: 2015年1月20日

目录 1并联机构机器人 (1) 2 汽车缓速器 (3) 3 机械工程中的工程力学 (5) 4 工程中的动力学及控制问题 (7) 结束语 (9)

1并联机构机器人 并联机构(Parallel Mechanism,简称PM),可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接,机构具有两个或两个以上自由度,且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机器人和传统工业用串联机器人在哲学上呈对立统一的关系,和串联机器人相比较,并联机器人具有以下特点: (1)无累积误差,精度较高; (2)驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置,这样运动部分重量轻,速度高,动态响应好; (3)结构紧凑,刚度高,承载能力大; (4)完全对称的并联机构具有较好的各向同性; (5)工作空间较小; 根据这些特点,并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。军事领域中的潜艇、坦克驾驶运动模拟器,下一代战斗机的矢量喷管、潜艇及空间飞行器的对接装置、姿态控制器等;生物医学工程中的细胞操作机器人、可实现细胞的注射和分割;微外科手术机器人;大型射电天文望远镜的姿态调整装置;混联装备等,如SMT公司的Tricept混联机械手模块是基于并联机构单元的模块化设计的成功典范。 1931年,Gwinnett在其专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置(图1);1940年,Pollard在其专利中提出了一种空间工业并联机构,用于汽车的喷漆(图2);之后,Gough在1962年发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置(图3);三年后,Stewart首次对Gough发明的这种机构进行了机构学意义上的研究,并将其推广应用为飞行模拟器的运动产生装置,这种机构也是目前应用最广的并联机构,被称为Gough-Stewart机构或Stewart机构(图4)。

分子生物学前沿技术

分子生物学前沿技术 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020

激光捕获显微切割Laser capture microdissection (LCM) technology是在不破坏组织结构,保存要捕获的细胞和其周围组织形态完整的前提下,直接从冰冻或石蜡包埋组织切片中获取目标细胞,通常用于从中精确地分离一个单一的细胞。 背景:机体组织包含有上百种不同的细胞,这些细胞各自与周围的细胞、基质、血管、腺体、炎症细胞或相互粘附。在正常或发育中的组织器官内,细胞内信号、相邻细胞的信号以及体液刺激作用于特定的细胞,使这些细胞表达不同的基因并且发生复杂的分子变化。在状态下,如果同一类型的细胞发生了相同的分子改变,则这种分子改变对于疾病的发生可能起着关键性的作用。然而,发生相同分子改变的细胞可能只占组织总体积的很小一部分;同时,研究的目标细胞往往被其它组织成分所环绕。为了对疾病发生过程中的组织损害进行分子水平分析,分离出纯净的目标细胞就显得非常必要。1996年,美国国立卫生院(NIH)国家肿瘤研究所的[2]开发出激光捕获显微切割技术(Laser capture microdissection , LCM ),次年,美国Arcturus Engineering公司成功研制激光捕获显微切割系统,并实现商品化销售。应用该技术可以在显微镜直视下快速、准确获取所需的单一细胞亚群,甚至单个细胞,从而成功解决了组织中细胞异质性问题。这项技术现已成为美国“肿瘤基因组解剖计划”的一项支撑技术[1]。 原理:LCM的基本原理是通过一低能脉冲激活热塑膜———乙烯乙酸乙烯酯(ethylene vinylacetate,EVA)膜(其最大吸收峰接近

生物工程的最新研究进展和研究热点

生物工程的最新研究进展和研究热点

生物工程的最新研究进展和研究热点 邓佳艺术与设计学院 15125478 【摘要】农业生物工程研究和产业的现状及其我国发展的策略北京大学副校长陈章良教授从80年代初美国科学家获得第一株转基因植物到现在,短短几十年时间内,农业生物工程迅猛发展,日新月异,成为高新技术领域中进展最快的领域之一。 【关键词】农业生物工程;植物基因工程;转基因农作物;转基因工程;病毒基因组;应用; 【前言】根据“生物多样性公约”规定,生物技术是指“利用生物系统、活生体或者其衍生物为特定用途而生产或改变产品或过程的任何 技术应用”。从广义上讲,生物技术涵盖了当前在农业和粮食生产中普遍采用的多种技术手段;而从狭义上讲,生物技术主要包括涉及繁殖生物学,或以特殊用途为目的处理或利用活生物体遗传物质的技术应用。则该定义涵盖了很大范围的不同技术,如我们学习的分子DNA标记技

术、基因操作、基因转移、无性繁殖、胚胎移植、冻藏(家畜)及三倍体化等。生物技术在农业生产力方面的应用比较难,比医学方面要慢,但农业生物技术现在已经从农业试验室发展到现 场试验了,那么进而达到商业化的阶段;其中包括动物疫苗、微生物农药、抗杀草剂植物等,现在一些专家预测此类产品将引导全中国,甚至全世界,走向另一次农业革命。农业生物技术包括防治动物疾病的疫苗,以及增进农畜产品的品质。另外,包含具有新特性的各类农业生物技术的发展。农业生物技术对传统农业有巨大的影响,农业生物技术的产品已逐渐由农业生物技术试验室进人了农业基地试验。 【正文】生物工程又称生物技术或生物工艺学。它是在生命科学的最新成就与现代工程技术相结合的基础上,利用诸如基因重组、细胞融合、固定化酶、固定化细胞和生物反应器等技术,对生物系统加以调控、加工,从而进行物质生产的综合性科学技术。由于它的相对投资少而效益巨大、适用面广,在、食品、医药、能源、环境保护等方面的应用日趋广泛。科学家们预测,生物

精选-机械工程前沿论文

机械工程前沿研究与优化设计 摘要: 本论文指出了现代机械工程科学前沿的显著特征:一方面,它与信息技术、材料科学、生命科学和管理科学相交叉;另一方面,它在创造性地解决机械工程关键科学问题的过程中得到发展。机械优化设计为机械设计提供了一种重要的科学设计方法,使得在解决复杂设计问题时,能从众多的设计方案中寻到尽可能完美的或最适宜的设计方案,这是现代科学技术发展的必然结果。简述了遗传算法和蚁群算法的基本概要,并列举了其目前的应用现状。关键词: 机械工程学科前沿优化设计遗传算法蚁群算法 机械工程是一门与机械和动力生产有关的工程学科,它以有关的自然科学和技术科学为理论基础,结合生产实践中的技术经验,研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和修理各种机械中的全部理论和实际问题。 机械工程学科包含以下几个方面机械制造及其自动化机械电子工程机械设计及理论 车辆工程和仿生技术。机械工程的服务领域广阔而多面,凡是使用机械、工具,以至能源和材料生产的部门,无不需要机械工程的服务。概括说来,现代机械工程有五大服务领域:研制和提供能量转换机械;研制和提供用以生产各种产品的机械;研制和提供从事各种服务的机械;研制和提供家庭和个人生活中应用的机械;研制和提供各种机械武器。 1 机械工程的发展趋势 机械的发展经历了从制造简单工具到制造由多个零件、部件组成的现代机械的漫长过程。机械工程以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性为目标来研制和发展新的机械产品。随着世界的进步、国家的需求和学科的发展,机械工程科学的发展出现了以下显著特点和趋势:一方面,高技术领域如光电子、微纳系统、航空航天、生物医学、重大工程等的发展,要求机械与制造科学向这些领域提供更多更好的新理论、新方法和新技术,因而出现和发展着微纳制造、仿生及生物制造、微电子制造等制造科学新领域;另一方面,随着机械与制造科学与信息科学、生命科学、材料科学、管理科学、纳米科学技术的交叉,除了推动着机构学、摩擦学、动力学、结构强度学、传动学和设计学的发展外,还产生和发展着仿生机械学、纳米摩擦学、制造信息学、制造管理学等新的交叉科学。在未来的时代,新产品的研制将以降低资源消耗,发展洁净的再生能源,治理、减轻以至消除环境污染作为超经济的目标任务。

生物科学前沿简介

第八讲生物科学前沿简介 一、20世纪生物科学发展的历史回顾 记者:匡先生,在展望生物学绚丽的发展前景之前,您能否简要的回顾20世纪生物学领域所取得的引人注目的成就呢? 匡廷云院士:由于19世纪以来,物理学、化学、地学以及技术科学的理论成就和技术进步,为生物学家认识生物发展规律提供了许多新的手段、方法。所以19世纪末20世纪初,生命科学取得了巨大的发展。在20世纪在生命科学领域有两次革命性的突破。第一次是孟德尔遗传学的再认识和摩尔根的基因论。孟德尔开创了经典遗传学,揭示了生物遗传现象。摩尔根主要用实验手段证明了基因是有序排列在染色体上的。 到了20世纪中叶,迎来第二次突破性进展,即沃森和克里克发现DNA双螺旋结构。沃森是生物学家,当时刚刚在美国拿到博士学位,研究噬菌体,后来到了英国。而克里克是个物理学家,当时在剑桥读Ph.D,用X射线衍射研究蛋白质晶体结构。沃森的贡献是在于确定DNA 两对特异性碱基的配对。克里克的贡献在于他极力主张建立物理模型,从分子、原子之间的距离和角度就可以得到最大限度的变量和稳定条件。特别有规则的双螺旋结构大大减少了变量数目。物理学家和生物学家完美的结合发现了DNA双螺旋结构。这是第二个突破性的里程碑。 图2 玉米籽粒的孟德尔遗传 图3 DNA 双螺旋

DNA双螺旋结构的建立开辟了生物学的新纪元。在这个基础上产生了基因工程、蛋白质工程。因此生物技术的发展对科技的发展对科技的发展、社会的进步的推动力是巨大的。由于分子生物学的发展、信息科学的发展人类才有可能识破自身的基因。在20世纪末大规模的开展人类基因组计划,破译人类的基因全序列。这个计划与曼哈顿原子弹计划、阿波罗登月计划并称20世纪人类三大科学计划。可以说20世纪生物学是飞速发展,取得了巨大的成就,为21世纪生命科学的腾飞打下了坚实的基础。

未来15年5大生物技术前沿技术

未来15年5大生物技术前沿技术与新科技介绍 摘要:生物技术和生命科学将成为21世纪引发新科技GM的重要推动力量。 关键字:靶标发现技术新一代工业生物技术生物芯片生物柴油国务院日前发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》(以下简称《纲要》)中提出了五项生物技术作为未来15年我国前沿技术的重点研究领域。 这五项生物前沿技术分别是: ——靶标发现技术。靶标的发现对发展创新药物、生物诊断和生物治疗技术具有重要意义。重点研究生理和病理过程中关键基因功能及其调控网络的规模化识别,突破疾病相关基因的功能识别、表达调控及靶标筛查和确证技术,“从基因到药物”的新药创制技术。 ——动植物品种与药物分子设计技术。动植物品种与药物分子设计是基于生物大分子三维结构的分子对接、分子模拟以及分子设计技术。重点研究蛋白质与细胞动态过程生物信息分析、整合、模拟技术,动植物品种与药物虚拟设计技术,动植物品种生长与药物代谢工程模拟技术,计算机辅助组合化合物库设计、合成和筛选等技术。 ——基因操作和蛋白质工程技术。基因操作技术是基因资源利用的关键技术。蛋白质工程是高效利用基因产物的重要途径。重点研究基因的高效表达及其调控技术、染色体结构与定位整合技术、编码蛋白基因的人工设计与改造技术、蛋白质肽链的修饰及改构技术、蛋白质结构解析技术、蛋白质规模化分离纯化技术。——基于干细胞的人体组织工程技术。干细胞技术可在体外培养干细胞,定向诱导分化为各种组织细胞供临床所需,也可在体外构建出人体器官,用于替代与修复性治疗。重点研究治疗性克隆技术,干细胞体外建系和定向诱导技术,人体结构组织体外构建与规模化生产技术,人体多细胞复杂结构组织构建与缺损修复技术和生物制造技术。 ——新一代工业生物技术。生物催化和生物转化是新一代工业生物技术的主体。重点研究功能菌株大规模筛选技术,生物催化剂定向改造技术,规模化工业生产的生物催化技术系统,清洁转化介质创制技术及工业化成套转化技术。

工程机械国外行业新技术及发展趋势

工程机械国外行业新技术及发展趋势(一)系列化、特大型化 系列化是工程机械发展的重要趋势。国外著名大公司逐步实现其产品系列化进程,形成了从微型到特大型不同规格的产品。与此同时,产品更新换代的周期明显缩短。所谓特大型工程机械,是指其装备的发动机额定功率超过 746kW(1000HP)。它们主要用于大型露天矿山或大型水电工程工地。产品特点是科技含量高,研制与生产周期较长,投资大,市场容量有限,市场竞争主要集中在少数几家公司。以装载机为例,目前仅有马拉松〃勒图尔勒、卡特彼勒和小松一德雷塞这三家公司能够生产特大型装载机。 (二)多用途、超小型化、微型化 为了全方位地满足不同用户的需求,国外工程机械在朝着系列化、特大型化方向发展的同时,已进人多用途、超小型化、微型化发展阶段。推动这一发展的因素首先源于液压技术的发展——通过对液压系统的合理设计,使得工作装置能够完成多种作业功能;其次,快速可更换连接装置的诞生——安装在工作装置上的液压快速可更换连接器,能在作业现场完成各种附属作业装置的快速装卸及液压软管的自动连接,使得更换附属作业装置的工作在司机室通过操纵手柄即可快速完成。一方面,工作机械通用性的提高,可使用户在不增加投资的前提下充分发挥设备本身的效能,能完成更多的工作;另一方面,为了尽可能地用机器作业替代人力劳动,提高生产效率,适应城市狭窄施工场所以及在货栈、码头、仓库、舱位、农舍、建筑物层内和地下工程作业环境的使用要求,小型及微型工程机械有了用武之地,并得到了较快的发展。为占领这一市场,各生产厂商都相继推出了多用途、小型和微型工程机械。如卡特彼勒公司生产的汀系列综合多用机、克拉克公司生产的“山猫”牌产品等。目前国际上推出微型工程机械的公司主要有:Komatsu、Case、Textron等公司。Caterpillar公司也成了国际微型工程机械的带头人,涉及的产品主要有:挖掘机、挖掘装载机、振动压路机、冲击锤、高空作业车等,其中最小的挖掘机斗宽为200mm,车宽小于1m。 (三)多功能化 多功能化作业装置改变了单一作业功能,多种作业已从中、大型工程机械应用的局限中解脱出来,在小型和微型工程机械上也开始了应用。如Caterpillar公司在926G型轮式装载机基础上开发出的IT62G就具有快速连接装置,驾驶员可在驾驶室里完成更换不同作业装置的动作:如更换铲叉、抓斗、卸载斗、扫雷装置、路面清扫装置、破碎装置等。

2014机械工程测试技术成人习题(新)

2014机械工程测试技术习题 第一章、信号及信号分析 1,求下图周期方波的傅立叶级数(三角函数函数形式)。画出频谱图A(ω)—ω、φ(ω)— ω 图。 2,下图所示周期三角波的数学表达式为 40 2()402A T A t t T x t A T A t t T ?+-<

第二章、传感技术基础 1 电容位移传感器由下式描述: 0.5δ =A C 式中,A =300为传感器探头的横截面积(mm 2);δ为空气隙距离(mm)。 求空气隙从0.2mm 变到0.3mm 时电容值的变化。空气介质的介电常数1F/m ,真空的介 电常数=8.85×10-12F/m 。 2 下图为一矩形的叠加型电容传感器,极板宽度a=55mm ,长度b=50mm ,极板间距 =0.3mm ,用此传感器测量位移x ,试求此传感器的灵敏度(F/mm),并画出此传感器的特性曲线。假设介质为空气,ε0=8.85×10-12F/m 。 第三章、信号处理基础 1 已知直流电桥R l=9725Ω ,R 2=8820Ω ,R 3=8850Ω ,R 4=9875Ω ,若激励 电压e 0=24V ,试求输出电压e r ,若R 4可调,试求电桥平衡时的R 4值。 2 选用电阻值R =100Ω ,灵敏度S =2.5的电阻应变片与阻值R =的固定电阻组成电 桥,供桥电压为10V ,当应变片应变为1000时,若要使输出电压大于10mV ,则 可采用何种接桥方式?计算输出电压值(设输出阻抗为无穷大),并画出接线圈。 3 以阻值,灵敏度S =2的电阻应变片与阻值的固定电阻组成电桥,供桥电压为4V , 并假定负载电阻无穷大,当应变片上的应变分别为1和1000时,半桥单臂、半桥 双臂及全桥的输出电压,并比较三种情况下的灵敏度。

分子生物学前沿技术

激光捕获显微切割Laser capture microdissection (LCM) technology是在不破坏组织结构,保存要捕获的细胞和其周围组织形态完整的前提下,直接从冰冻或石蜡包埋组织切片中获取目标细胞,通常用于从组织中精确地分离一个单一的细胞。 背景:机体组织包含有上百种不同的细胞,这些细胞各自与周围的细胞、基质、血管、腺体、炎症细胞或免疫细胞相互粘附。在正常或发育中的组织器官内,细胞内信号、相邻细胞的信号以及体液刺激作用于特定的细胞,使这些细胞表达不同的基因并且发生复杂的分子变化。在病理状态下,如果同一类型的细胞发生了相同的分子改变,则这种分子改变对于疾病的发生可能起着关键性的作用。然而,发生相同分子改变的细胞可能只占组织总体积的很小一部分;同时,研究的目标细胞往往被其它组织成分所环绕。为了对疾病发生过程中的组织损害进行分子水平分析,分离出纯净的目标细胞就显得非常必要。1996年,美国国立卫生院(NIH)国家肿瘤研究所的[2]开发出激光捕获显微切割技术(Laser capture microdissection ,LCM ),次年,美国Arcturus Engineering公司成功研制激光捕获显微切割系统,并实现商品化销售。应用该技术可以在显微镜直视下快速、准确获取所需的单一细胞亚群,甚至单个细胞,从而成功解决了组织中细胞异质性问题。这项技术现已成为美国“肿瘤基因组解剖计划”的一项支撑技术[1]。 原理:LCM的基本原理是通过一低能红外激光脉冲激活热塑膜———乙烯乙酸乙烯酯(ethylene vinylacetate,EVA)膜(其最大吸收峰

接近红外激光波长),在直视下选择性地将目标细胞或组织碎片粘到该膜上[2]。LCM 系统包括倒置显微镜、固态红外激光二极管、激光控制装置、控制显微镜载物台(固定载玻片)的操纵杆、电耦合相机及彩色显示器。用于捕获目标细胞的热塑膜直径通常为6mm,覆在透明的塑料帽上,后者恰与后继实验所用的标准 0.5ml离心管相匹配。 机械臂悬挂控制覆有热塑膜的塑料帽,放到脱水组织切片上的目标部位。显微镜直视下选择目标细胞,发射激光脉冲,瞬间升温使EVA膜局部熔化。熔化的EVA膜渗透到切片上极微小的组织间隙中,并在几毫秒内迅速凝固。组织与膜的粘合力超过了其与载玻片间的粘合力,从而可以选择性地转移目标细胞。激光脉冲通常持续0.5~5.0毫秒,并且可在整个塑料帽表面进行多次重复,从而可以迅速分离大量的目标细胞。将塑料帽盖在装有缓冲液的离心管上,将所选择的细胞转移至离心管中,从而可以分离出感兴趣的分子进行实验[3]。 EVA膜约100~200μm厚,能够吸收激光产生的绝大部分能量,在瞬间将激光束照射区域的温度提高到90°C,保持数毫秒后又迅速冷却,保证了生物大分子不受损害。采用低能量红外激光的同时也可避免损伤性光化学反应的发生。 优缺点:LCM最显著的优点在于其迅速、准确和多用途的特性。结合组织结构特点以及所需的切割精确度,通过选择激光束的直径大小,可以迅速获取大量的目标细胞。LCM与以显微操作仪为基础的显微切割技术相比[4],具有以下优点:(1)分离细胞速度快,无需精巧的操作技能;(2)捕获细胞和剩余组织的形态学特征均保持完好,可以较

机械工程前沿讲座

机械工程前沿 近年来,机械工程学科在各大领域内取得了一系列突破性进展和原创性成果,为繁荣的经济建设提供了大量的理论方法和实践经验,对世界产生了重要的影响。 , 对 ?前机械工程前沿技术以及机械工程领域的发展现状,综述了其重要进展和成果,并对 国机械工程的发展趋势进行了展望。 机械工程是一门与机械和动力生产有关的工程学科,它以有关的自然科学和技术科学为理论基础,结合生产实践中的技术经验,研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和修理各种机械中的全部理论和实际问题。 机械工程学科包含以下几个方面:机械制造及其自动化机械电子工程、机械设计及理论、车辆工程和仿生技术。机械工程的服务领域广阔而多面,凡是使用机械、工具,以至能源和材料生产的部门,无不需要机械工程的服务。概括说来,现代机械工程有五大服务领域:研制和提供能量转换机械;研制和提供用以生产各种产品的机械;研制和提供从事各种服务的机械;研制和提供家庭和个人生活中应用的机械;研制和提供各种机械武器。 机械的发展经历了从制造简单工具到制造由多个零件、部件组成的现代机械的漫长过程。机械工程以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性为目标来研制和发展新的机械产品。随着世界的进步、国家的需求和学科的发展,机械工程科学的发展出现了以下显著特点和趋势:一方面,高技术领域如光电子、微纳系统、航空航 、生物医学、重大工程等的发展,要求机械与制造科学向这些领域提供更多更好的新理论、新方法和新技术,因而出现和发展着微纳制造、仿生及生物制造、微电子制造等制造科学新领域;另一方面,随着机械与制造科学与信息科学、生命科学、材料科学、管理科学、纳米科学技术的交叉,除了推动着机构学、摩擦学、动力学、结构强度学、传动学和设计学的发展外,还产生和发展着仿生机械学、纳米摩擦学、制造信息学、制造管理学等新的交叉科学。在未来的时代,新产品的研制将以降低资源消耗,发展洁净的再生能源,治理、减轻以至消除环境污染作为超经济的目标任务。

现代生物技术在环境保护中的应用和前景(最新版)

( 安全论文 ) 单位:_________________________ 姓名:_________________________ 日期:_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 现代生物技术在环境保护中的应用和前景(最新版) Safety is inseparable from production and efficiency. Only when safety is good can we ensure better production. Pay attention to safety at all times.

现代生物技术在环境保护中的应用和前景 (最新版) 摘要:针对我国目前生态环境状况,论述了现代生物技术在治理环境污染,保护生态环境中的应用和发展前景。 关键词:现代生物技术生态环境环境保护 1我国生态环境现状 目前我国由于工业“三废”污染、农用化肥和农药的污染以及废弃塑料和农用地膜的污染,严重的影响了我国的生态环境,使得水污染日益加剧,水资源严重短缺,全国600多个城市中已有一半城市缺水,农村则有8000万人和6000万头牲畜饮水困难;土壤污染严重,耕地面积锐减,近10年来每年流失的土壤总量达50亿t,土地荒漠化日益加剧;森林覆盖面积下降,草场退化,每年减少森林面积达2500万亩;人们的身体健康受到严重威胁,疾病发病率急

剧上升。因此,加大环境保护和环境治理力度,加快应用高新技术,如现代生物技术来控制环境污染和保持生态平衡,提高环境质量已成为环保工作者的工作重点。 2现代生物技术与环境保护 现代生物技术是以DNA分子技术为基础,包括微生物工程,细胞工程,酶工程,基因工程等一系列生物高新技术的总称。现代生物技术不仅在农作物改良、医药研究、食品工程方面发挥着重要作用,而且也随着日益突出的环境问题在治理污染、环境生物监测等方面发挥着重要的作用。自20世纪80年代以来生物技术作为一种高新技术,已普遍受到世界各国和民间研究机构的高度重视,发展十分迅猛。与传统方法比较,生物治理方法具有许多优点。 (1)生物技术处理垃圾废弃物是降解破坏污染物的分子结构,降解的产物以及副产物,大都是可以被生物重新利用的,有助于把人类活动产生的环境污染减轻到最小程度,这样既做到一劳永逸,不留下长期污染问题,同时也对垃圾废弃物进行了资源化利用。 (2)利用发酵工程技术处理污染物质,最终转化产物大都是无

机械工程学科前沿论文(轧机方向)

机械工程学科前沿 内容名称:轧机方向 院系:机械学院 班级:研1402班 姓名:李启宇 学号: S2******* 授课教师:王建梅 时间: 2015.7.6 太原科技大学

一、我国无缝钢管技术装备现状 热轧无缝钢管设备从1953年在鞍钢建成投产φ140mm自动轧管机组以来,我国陆续开发、研制、设计、制造和建成投产了一大批小型(φ50mm~100mm)穿孔机和自动、三辊、连轧、圆盘(狄塞尔)等轧管机组,随后又引进并建成投产了一批顶管、周期(大中型)、大型自动、扩管、三辊等类型的轧管机组(含二手设备),之后又引进了一批先进的三辊、精密和连轧管机组等(含软件技术和部分设备)。1999年前拥有的生产供冷拔、冷轧用的热轧无缝毛管、荒管的设备,计有5大类111 台(套),主要是穿孔机、≤φ90mm自动轧管机组和少量三辊、盘轧管和挤压管机组。现有的(含在建的)热轧成品无缝钢管机组。 由双老师的讲课内容我得知,国现有(包括在建)的热轧成品的轧管机组计有10大类39套,即连轧管、自动轧管、周期轧管、热扩管、精密轧管、圆盘轧管、三辊轧管、顶管、挤压管和行星轧管机组。可以说我国目前在世界上拥有的热轧管机组的种类和规格最齐全。 20世纪30年代后期,在上海建有螺丝式拉拔管机,40年代开始建有链式拉拔管机(LG-0.5-120),50年代开始建有二辊三辊冷轧管机(LG-30~200;LD-8~180),60年代开始建有旋压管机(可生产的钢管规格最薄壁厚为0.07mm,最大直径为700 mm),80年代开始建有液压冷拔管机(最大为4000KN),80

年代开始引进先进、快速、高效、大直径冷轧管机,如KPW25VMR、SK75V-MRCK、XIIT-450等。据不完全统计,我国现有的各种冷轧管机987台,其中国产二辊327台、多辊617台,引进43台冷拔管机估计有千条链以上,也可算是种类、规格齐全。 其装备特点为:1一种规格的轴承管用一种规格的管坯,一套加热制度,一套穿孔工具和轧制工艺、一套冷轧管工具、工艺和一套球化热处理制度以及一套检查检测仪器、制度和规范。2用冷轧孔型保证成品管的尺寸精度,用轧制(热和冷)和热处理工艺、制度及检查检测保证成品管性能和质量。 我国无缝钢管设备设计、制造,按照过去的体制规定:主机设备(包括电气配套设备)由国家钢铁设计研究院(如北京、重庆、包头钢铁设计研究总院)提出设计任务书,交由国家专业设备制造厂(如太原重型机械厂、太原矿山机器厂等)进行设备设计和制造;辅助机械设备(包括电气配套设备)由冶金设计院设计,交机械制造厂制造。分工明确,力量(研究、开发)集中。 现在已发展到所有有关设计单位和设备制造单位互相渗透、互相替代或相互联合,同时钢管生产厂也向设备设计和设备制造发展,成立了一些设计院所、设备制造公司或联合公司。现在无缝钢管设备设计、制造单位之多,难以统计。国家大的钢铁设计研究和设备制造单位在与小的分散的设计制造单位的竞争中,没有形成专业相对集中的设计、制造集团,力量分散,

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