生物工程学

生物工程学（英文：Bioengineering、Biological Engineering 或 Biotechnology）一词由“bio-”（生物）和“engineering”（工程）组合而成，其概念可追溯至20世纪初。广义上，它指将工程学原理与方法应用于生物体系的分析、设计与控制；狭义则常与“生物技术”同义，强调利用生物体或分子模块生产商品与服务。

生物工程学在20世纪70年代分子生物学和细胞生物学的突破基础上正式形成。1973年，科恩（Cohen）和博耶（Boyer）首创重组DNA技术，标志着基因工程诞生。1982年，首个基因工程药物——人胰岛素在美国获批上市。此后，生物工程从实验室走向产业化，催生了现代生物技术产业。

基因工程

基因工程是生物工程的基石，通过体外重组DNA和转化技术，将外源基因导入宿主细胞（如大肠杆菌、酵母），使其表达目标产物。例如，将人胰岛素基因转入大肠杆菌，实现大规模生产。

细胞工程

涉及细胞融合、培养与改造技术，用于制备单克隆抗体、干细胞疗法等。植物细胞培养可生产紫杉醇等次生代谢物。

酶工程

研究酶的分离纯化、固定化及分子改造，应用于食品加工（如高果糖浆生产）、洗涤剂、制药等领域。

发酵工程

利用微生物（如酵母、细菌）在大型发酵罐中进行代谢产物工业化生产，包括抗生素、氨基酸、维生素等。

生物工程在医学领域贡献巨大：

• 药物生产：通过基因工程细菌生产人胰岛素、干扰素、生长激素、乙肝疫苗等，成本大幅降低。
• 基因治疗：利用腺病毒载体递送正常基因，治疗遗传性疾病（如重症联合免疫缺陷症）。
• 再生医学：3D生物打印构建人工皮肤、骨骼，诱导多能干细胞（iPSC）分化用于疾病模型。

在农业领域，抗虫棉花、抗除草剂大豆已大规模种植；将抗病基因转移至烟草，培育出抗害虫新品种；根瘤菌固氮基因转移至作物细胞，使植物自行固氮。食品工业中，固定化葡萄糖异构酶用于高果糖浆生产，1983年美国年产量达600万吨，使蔗糖消耗量减半。

• 合成生物学：设计人工基因线路，构建合成微生物工厂，生产青蒿酸、阿片类药物。
• 人工智能与生物工程融合：机器学习预测蛋白质结构（如AlphaFold），优化酶设计和代谢路径。
• 环保与能源：工程菌降解塑料、石油，微藻生产生物柴油。

我国已将生物工程列为重点发展科研项目，其在医疗、农业、环保等领域的影响日益深远。

• Cohen SN, Chang ACY, Boyer HW, Helling RB. Construction of biologically functional bacterial plasmids in vitro. Proc Natl Acad Sci USA. 1973;70(11):3240-3244.
• Lee JW, Na D, Park JM, Lee J, Choi S, Lee SY. Systems metabolic engineering of microorganisms for natural and non-natural chemicals. Nat Chem Biol. 2012;8(6):536-546.
• 王大成. 生物工程学: 原理与应用. 北京: 科学出版社; 2015.
• 吴梧桐. 生物工程原理与技术. 北京: 中国医药科技出版社; 2017.