我们正处在生物革命的前夕，它将深刻地改变我们的工业和我们的未来。为了控制这种革命，预见它是很重要的。

美国生物学政策的第一个方面——生物医学的发展，已引起世界的关注。它的第二个方面，是政府机关、大学和工业部门为了促进工业化阶段或研究所作的努力。生物工艺学的应用，正向卫生、食品、能源、化学工业等方面发展。

除了生物能已得到美国政府的支持以外，生物工艺学提供的、其它一些新的可能性，也已引起企业主和从事这项工作的科技人员的极大兴趣。为此，生物工艺学成了美国生物学政策的一个重要部分。

使自然产物的利用最佳化

植物的光合过程，不仅在决定地球生命方面，而且在综合未来的生物能系统方面，也起着主要作用。至今为止，光合过程向我们提供了碳、石油、木材、食物、纤维和化工产品。然而，近几个世纪以来，这些碳资源利用的相对重要性起了变化。由于煤和石油减少或提价，所以将重新利用光合作用形成的、有生命的生物体。

植物的光合作用，可固定2000亿吨碳（这些碳大约含有世界能源年消耗量十倍的能量和我们食品消耗量二百倍的能量）。植物制造出很多丰富的有机物，如纤维素（每年1000亿吨），少量的维生素和生物碱等。人们利用这些产物，或将生物体的废渣转化成能源、化学物、食物等有用物，最后达到以多种方式控制植物，生产出我们所需要的物品。为了制造或转化任何一种所需的有机物，经常需要微生物。此外，在实验室，人们可以复制和模仿自然过程，特别是光合过程来制造氢、固定碳等。虽然这种仿生化学的研究仅仅是开始，但已对明天的合成化学展示了美好的前景。

1. 生物物质的细菌性转化和酶的转化

1.1. 用纤维素垃圾制糖

众所周知，植物支配的碳水化合物靠二个化学分子式相同的大分子起作用：纤维素分子形成细胞壁、淀粉分子作能源储备。由于它们的空间形式不同，所以两者区别很大。粒状淀粉易亲近，可作我们食品的基础。与其相反，纤维素一般与木质素牢固地结合在一起，不易亲近，并很难被酶或微生物所降解。然而，它却潜藏了大量糖。

为使纤维素糖化，必须对它作各种生物或化学预处理，如最近发明的有机溶剂预处理法。该法先使纤维素水解，达到糖化作用而变成单糖。纤维素的转化率大于90%。这为利用生物物质制造能源、化工产品或食品展示出一个真正令人感兴趣的美好前景。最近，在佛罗里达召开的生物能评价会上，人们提出了一种最新的木材预处理方法。根据此法，纤维素先是溶解，然后在酶的催化作用下，高效率地转化为葡萄糖。此法被认为是工艺上的一次突破。目前，纤维素酶的糖化作用仍处于实验室研究阶段，而淀粉的糖化作用则早已工业化。用纤维素垃圾制得的糖可作食糖，或用生化方法转化成化工产品或能源（如乙醇）。

1.2. 糖发酵制取化工产品

众所周知，用生物发酵法可制取或转化任何一种所需的有机物，如葡萄糖在微生物作用下转化成酒精。厌氧发酵法主要可制取溶剂。1976年，美国用此法制得30%乙醇，10%n-丁醇，5%丙酮。在年产量达400万吨的9种C₃和C₄化工产品中，只有2%的产品（丙酮、乙醇、富马酸、柠檬酸）是靠生物发酵法制取的。美国却用生物发酵法大量制取乙醇：1974年占10%，1976年占30%。因此，乙醇转化成乙烯、乙醛和醋酸的工艺，可能又将重新被利用。

从技术上讲，人们已能利用碳水化合物（农业垃圾）·经微生物发酵制取很多产品。日本每年用葡萄糖和氨经厌氧发酵制取25万吨L-谷氨酸。美国的丁二烯靠乙醇发酵来大规模制取（1976年，美国消耗150万吨），但在北美，丁二烯还是用石油制取。目前，苏联、印度、巴西也均有工厂用生物发酵法制取丁二烯。

1.3. 用载体酶催化法制取糖、氨基酸和抗菌素

从各种具有生命力的资源（动物、植物、微生物）中可分离出一些大分子的蛋白酶。这些蛋白酶经提纯，可作溶液或用在载体上。工业上大规模地利用酶在水中的可溶性，靠酶在载体上固定的方法，从水中提取所需之物。

目前，世界上大约有10个靠载体酶生产的商业方法，并已能小批量生产糖、氨基酸和抗菌素。美国和日本特别重视发展这些方法。

酶固定在树脂上的第一个工业应用实例，是L-氨基酸的连续生产，月产量为20吨。早在1969年，日本田道制药公司就已使此生产商业化了。值得注意的是，日本已有20种主要的L-氨基酸生产实现了专业化。它们主要用于营养方面，在某些情况下，则用于治疗方面。此外，人们还应注意正在发展的APM（这是一种由天冬酶和苯胺化合而成的酯）生产，它比糖（蔗糖酶）甜150多倍。

目前，工业上用载体酶催化制取的氨基酸有三种：丙氨酸、天冬酸、丝氨酸。

日本是第一个在工业上用固定酶的国家，而美国是用此法进行较大量生产的国家。事实上，美国所有的葡萄糖是用淀粉酶水解制得，但葡萄糖的甜度是蔗糖甜度的一半。糖分子是由一半葡萄糖和一半果糖组成。因果糖比蔗糖甜2倍多，所以将作为营养的一半葡萄糖转化成果糖。这一点已在1972年通过“异构酶葡萄糖”得到实现。

1.4. 作能源的生物物质的利用

美国能源计划比较着重于发展由各种森林垃圾、农业性工业垃圾、城市垃圾、动物垃圾和植物垃圾所形成的能源。在美国，饲养动物垃圾每年有20亿吨，它们平均含有15~30%的蛋白质，30~50%的碳水化合物，5 ~ 10%的木质素，10~25%的矿物盐。它们经热化学方法处理，提供气、油或固体燃料，或经发酵处理，提供蛋白质和作动物营养物的糖，最后经厌氧发酵，提供甲烷。目前，美国通过有计划地收集森林垃圾，每年可生产54000小桶油（1小桶=160公斤）。

此外，美国伯克利大学Melvin Calvin博士提出通过植物将太阳能转化成烃。为此，他研究某些植物品种对可能被再利用的，几乎是沙漠地区土地的适应性，以及光合成效率改进的可能性。

1.5. 生物物质的热化学气化和液化

生物物质的热化学气化和液化工艺，是靠热量、温度、催化剂或化学试剂来分解木质纤维素垃圾中含有的有机物。在温度为600℃时，人们可得到油；在900℃时，可得气态燃料。

热化学气化是最发展的领域，其重点放在最大量地获得合成气体（氧化碳+氢）和发明气化催化剂。气化的方法很多，如木头与氧和水蒸气反应的方法可得低热气体，Purox统一碳化物方法可每天处理320吨木材。目前，这二种方法在加拿大都有发展。

热化学液化有二种研究目标。一种研究目标集中在由西方研究所发展的闪热解方法上。1977年，在美国阿尔本设置了一个试验工厂，每天可将3吨木刨花转化成6小桶燃料油。另一种研究目标集中在由匹兹堡能源研究中心发展的、使一氧化碳与碳酸盐水溶液中的木头垃圾反应的方法。

厌氧发酵能消耗各种来源的含水率高的生物物质，制造出由甲烷和碳酸气组成的气体燃料（70/30）。

1978年底，美国农业部成$了能源局，它的主要任务之一是支持农业和森林业，将它们的副产品转化成烃和乙醇，督促他们到1990年做到能源自给。在能源局的30个计划中，有三个计划较著名：在克利温斯顿建立一个使甘蔗渣转化成工业用乙醇的工厂；在北部加罗林建立一个将农业和森林垃圾转化成锅炉烧煤球的工厂；在宾夕法尼亚建立将农业和森林垃圾转化成气体、油和煤的工厂，以便使废渣源实现地方化，向农村团体（小厂、医院、学校）提供能源。

用生物物质制取能源的总计划业已制定，并定出了各种方法的商业化期限：1985年，厌氧发酵制甲烷商业化；1990年，厌氧发酵制乙醇和热解（干燥加热）制气商业化；2020年，热解制液体燃料商业化。目前，最先进的计划是关于城市垃圾制能源。

据认为，到本世纪末，美国能源所消耗的生物物质，每年将为7 Quads（1 Quads=1×10¹⁵BTU），或大约为目前消耗量的10%。在美国已有的132个试验、示范或商业化的生物物质转化装置中，有39个装置是直接燃烧的，24个装置厌氧发酵，26个装置处理城市垃圾；在其余一些体积较小的装置内，只有4个装置生产乙醇（虽然乙醇在短期内是很有希望的）。事实上，能源部计划的方向是纤维素制糖，糖发酵制乙醇。乙醇与汽油混合使用，或单独用在稍改进了的内燃机上。众所周知，在最近召开的一次会议上，通过了一项汽车免税规定：如汽车使用至少含有10%的甲醇或乙醇燃料，汽车即可免税。

2. 从海洋机体中提取产物

海洋可利用面积比陆地面积大5~10倍。显然，随着地球人口的增多，海洋应得到更多的利用。目前，全世界大约有500平方公里的海洋面积种植了海藻。人们则从海藻中提取矿物质和明胶。

2.1. 海上农庄

目前，人们已能用巨藻廉价而简便地制取甲烷。这种巨藻在太平洋中很多，可靠机械收获，但也可成功地种植在安的列斯群岛上和英吉利海峡中。

美国计划在加利福尼亚州建立一个5万公顷的海上农庄。这样，每年每公顷可生产100吨固体物质，其中一半转化为气体。此外，人们还预计养殖牡蛎和鲈鱼，以便获得6亿立方米气体（价格为煤制气的1.5倍）、肥料和食物。

蓝藻靠光化学作用分解水。热带和亚热带海洋中有各种不同的蓝藻，以及靠水和太阳制氢的细菌。为此，迈阿密大学实验室专门从事靠光化学制氢的海洋机体的研究工作。目前，已取得令人满意的成绩，但研究在继续进行，以便利用光强度、温库、咸性和有害元素等参数进行最佳化生产。

2.2. 制药业用的海洋生物

1968年，俄克拉何马大学研究人员在gorgone珊瑚硬蛋白中发现大量前列腺素。这一发现促进从海洋机体中，特别是从生长在有珊瑚暗礁的热海中的海洋机体中，提取新的有效分子的研究。他们用化学方法离析和鉴定出几百种药理性能决然不同的药品：抗菌素，抗病毒药，抗蕈药，作用于神经系统和心血管系统的药（抗凝血剂、强心剂、低血压药、血管舒张药等），抗癌药，细胞静止药，杀虫药。如人们从海藻中提取防疱疹病毒的分子，从海螺中提取细胞静止药（一种叫dolatriol的双萜）。

这些药品具有三种意义：从科学意义上说，终于找到了完全新的分子结构；从临床医学意义上说，这些药品的治疗效果特别好；从药理学意义上说，一个新的结构终于可通过微小变化来发现整整一族有效的化合物，然后通过合成得到一族中的某些成分。这些成分的药效甚至比原来的天然产物更好。

这些，研究得到美国全国海洋和大气局，以及全国基金委员会的支持。每年的研究费约为100万美元。

改变自然过程的道路

一个品种的进化，是由于自然的变化而发生的，优良品种增加了它们的再制造机会，这就是自然选择。但这种进化很慢，需很长的时间才可通过一种动物或一种植物的个体杂交而得到杂交品种。

1. 二个基本限制

这些通过杂交改进品种的技术存在二个问题：①优良机体再生产很缓慢，②不同品种个体之间不能进行繁殖力强的杂交。

2. 使细菌工作

每20分钟，一个微生物可通过细胞分裂繁殖一次，因此一天内可繁殖数十亿个后代。由此产生二个想法。第一个想法是比较有计划地利用相当数量的微生物，使他们发生对人们有用的生化变化，以实现真正的微生物工业发酵法。第二个想法是利用那些接受变化的微生物（如通过γ射线照射引起变化），使他们发生在自然界不会遇到的变化，以便获得平时得不到的变种生物。日本氨基酸工业就是利用这些技术的。它不仅利用细菌的野生菌种发酵制取，而且利用变种生物制取氨基酸。

营养缺陷型变种生物，由于缺少一个或几个酶，在其发展过程中会停止变化，让一种物品反常地积累起来。因此，人们可以实现赖氨酸、缬氨酸和苏氨酸的工业生产。

调节变种生物，由于缺少调节机构，同样也有氨基酸反常积累的现象。接此原则，日本对精氨酸、蛋氨酸和色氨酸等实现工业生产的可能性进行了研究。

值得注意的是，1971年，在加利福尼亚成立了Cetus公司。该公司每天用上述现象的探测技术检查数百万细菌，以便借助改进菌种来制造抗菌素。

3. 控制困难

不可能实施不同品种个体之间的繁殖杂交（牡骡是无生殖力的，鲤鱼和兔杂交至今未取得任何结果）。

从改进品种出发，人们研究未记载在品种染色体遗传学上的性能。在此情况下，必须严格控制品种改进的可能性。某些海藻能捕集大气中的氮，使其变成氨，再传输给小麦作肥料。这在几年前是没、有科学意义的，但自从脱氧核糖核酸重组方法使一个机体的基因可以向另一个机体转移和制造时，这个空想便成为可考虑的了。

4. 目前遗传工程的可能性

新的复合脱氧核糖核酸制造技术，利用新一类的“限制内核酸酶”。这些酶能够在特殊的再生部分切断脱氧核糖核酸链。这样切断的链能重新活动，而其它的连接酶能将这不同的二部分连接起来。这样，不同品种的脱氧核糖核酸部分就组合在一起，并重新进入细菌细胞、培养物或高级机体细胞内。改进后的细胞不断增多和繁殖、并在子细胞内产生新的脱氧核糖核酸。

目前，被考虑的或已应用的遗传工程有：某些遗传异常的产前诊断；作治疗用的复杂物质的制造；植物光合作用效率的改进；用禾本科植物进行大气氮的固定；改进反刍类消化作用的细菌的获得；寄生虫抵抗力的改进。

4.1. 血异常的产前诊断

血异常的产前诊断是很危险的，因它需取胎儿的血作血样。但现在，由于限制酶，人们可以不要冒很大的危险，从妊孕第15周起，用羊膜穿刺术取出羊水，检查羊水内的胎儿细胞是否正常来发现某些血异常症状。典型例子是遗传源贫血的产前诊断（如地中海贫血或镰状细胞性贫血）。从医学和技术角度看，此法既可靠又便宜，将会很快普遍推广。

4.2. 通过重复控制的细菌合成蛋白质和激素

脱氧核糖核酸再复合的_型试验，要求将一种植物或一种动物的遗传基因附着在实验室细菌（大肠杆菌K-12）身上。自1922年以来，这项科研工作做了大量工作。小的细菌脱氧核糖核酸部分，通过与高级机体的新脱氧核糖核酸部分相连而得到改进。然后，它再进入大肠杆菌细胞内，以每天数十亿的速度增长，并得到移植核糖核酸的信息。这就是1977年旧金山大学首先做的一项科研工作，用生长激素释放抑制因子合成可靠的脱氧核糖核酸（这是一种杂交的抑制激素）。为了制造5毫克激素，需在一只8升消化池内，放100克大肠杆菌，而为了离析出相同数量的激素，Guillemin和Schalley法需50万只绵羊脑子。最近，用相同的技术合成了老鼠胰岛素。1978年年底，法国巴士德研究所合成了卵白朊。美国加利福尼亚大学生产了人胰岛素。

上述试验还未实现连续生产。但它可能会发展得更快些，特别在胰岛素方面。因为美国增加了合成胰岛素的细菌。有人认为，几年之后，胰岛素将实现商业化生产。在美国，用遗传工程生产的治疗药物有：激素、凝结剂、遗传病取代酶，免疫学因素（如γ球蛋白或干扰素）。

干扰素的生产值得一提。干扰素关系到一种特种细胞蛋白。此特种细胞蛋白能抗病毒，有免疫兴奋性能，甚至抗癌性能。从原理上说，人们可通过控制的微生物制造干扰素。据分子生物学研究所的Pestka博士认为，过三年，人们通过细菌方法是能够制造出人的干扰素的。

5，对提高收获率的新方法进行研究

美国进行了三方面研究工作：植物细胞的培养和遗传工程，光合作用效率的改进，植物对氮的吸收。

5.1. 用于植物的遗传工程

此项研究的总目标是确定植物有哪几种遗传型控制的可能性，以便增加作物的生产。

细胞和组织的培养技术将特别用于下列几方面：

根据以前主要粮食的种植情况来确定再生完善植物的方法。

应用身体细胞的遗传原则来了解高级植物的遗传变化、器质化和调节。

进行大量选择试验，以便探测农艺学的作用。

使身体细胞内的染色体起变化，以便增加遗传的多样化。

5.2. 光合作用效率的改进

提高光合作用效率，是美国农业学的一项主要目标。从1948年起，Melvin Calvin博士根据对海藻、菠菜和大麦所做的试验指出，当碳酸气固定在植物上时所形成的首批有机化合物，是由3个碳原子合成的丙三醇衍生物。1965年，根据对甘蔗所做的试验，他指出首批合成的分子是4个碳原子的有机化合物。由此说明，C₃和C₄植物有着明显的差异。C₃植物（如大豆、土豆、甜菜，向日葵、烟草、小麦）对碳酸气（光合作用）的吸收率低，而白昼，碳酸气的排出率则高（光吸作用）。因此，C₃植物的收获率低（每公顷土地每年约收30吨干物质）。与其相反，C₄植物（甘蔗、玉米）对碳酸气的吸收率高，而白昼，碳酸气的排出率则低。因此，C₄植物的收获率较前者高2~3倍（每公顷甘蔗地每年收干物质83吨）。

为了使C₃植物和C₄植物一样有效，农业部研究的主要目的是确定增加光合作用所需的生化机体，并使光合作用物比较有效地向营养元素分布。

5.3. 植物对氮的吸收

从能源方面来看，目前使用的氮肥计划不是令人满意的。为得到氮肥，人们液化空气，馏出氨，用哈伯制氨法，在高温和高压下将氮与氢混合制得氨。氨氧化得硝酸，然后变硝酸盐。硝酸盐化肥撒在土地上，部分被植物转化成氨吸收，部分随水流失。

除此，某些机体能直接将大气中氮还原成氨，如Klebsiella厌氧菌，蓝藻和与植物共生的Rhyzobium泥土菌。粮食因无此泥土菌而不能固定氮。为此，人们想通过粮食作物与细菌或海藻共生的办法，使粮食能周定大气中的氮。事实上，氮还原成氨需要大量能量，因此，问题是很复杂的。

针对此复杂性，美国扩大了植物对氮的固定计划。这些计划主要包括了全国卫生基金会和农业部的基础研究。自1978年以来，农业部与几个主要的大学实验室签订了研究合同。正在研究的内容有：

深入研究固氮酶；作用机体，铁和钼的作用等。确定固氮遗传基因的转移和调节遗传学。

对固氮微生物和植物的农艺学，生理学，以及能更好固氮的细菌的变种生物进行研究。

遗传工程是解决氮肥的一个办法。但其它的方法也在研究中，如氧化钛催化剂在光的作用下，能使水与氮作用，得氨和氧。

5.4. 植物的防寄生虫

美国农业生产受寄生虫损害为30%，每年损失费估计为200亿美元。为此，人们制定了一个庞大的综合性防治计划。目前，每年的研究费为1.9亿美元。

当前，寄生虫生物防治法已取得良好的成绩，特别是在治虫方面。遗传工程的研究可提出灭菌杂种。由于这种灭菌杂种，一种无害的品种与寄生虫的交媾，产生了不能再繁殖的雄虫，因此可消灭害虫品种。

防虫病原体的应用是有希望的。目前，作为农业、造林和城市环境杀虫药的病毒和细菌已实现商业化了。

线虫显示出是一种很好的防寄生虫的生物体，但还不能在实践中应用。脊椎动物（鸟、哺乳动物）在防虫方面的使用是大量的，但他们的操作不是很实用的。

正在研究的内容有：

定量鉴定生物和基础物理参数，以及相互作用的寄生虫系统，如宿主/寄生虫/总体环境。

寄生虫种群及其竞争动力学（种群水平；迁移；生命周期）。

寄生虫的生理、生化作用及其竞争特性。

植物的脆弱机体和抗寄生虫侵袭的机体的鉴定。

此外，还提出了新的天然化学农药，其中有二种显示出很有希望（信息素和合成激素）。

信息素是一些虫的分泌物质，可作为认识不同性别和指示营养程度的信号。人们可用它击退害虫，而对环境无害。现对用它来防止松树、菸叶、桃树寄生虫、各种蝇等作了很积极的试验。至于合成激素，只要用很少量的量就可中止昆虫在自然界的增长和成熟。中止昆虫甲壳质合成的激素用在农业上和用在人的防寄生虫方面是一样的。

[Sciences et Techniques，1979年59期17~29页]