被称为二十一世纪技术革新巨大支柱的生物工程学，除了以生物所具有的极其优秀的机能为基础的新技术以外，还包含下列课题：以公害问题为契机来调和自然界与人类的关系，以及开发生物量（可能再生的生物资源）以补偿有限的地球资源。

生物工程学可分为模仿生物机能和利用生物机能。属于模仿生物高度机能的领域是生物力学。还有处理人工智能的生物电学和机器人等。此外，最近受到注意的还有以化学为对象的化学仿生。

简单地利用生物（机能）的，是自古以来利用微生物的发酵工业。日本在这种工业技术上处于世界的顶峰。最近，包括细菌培植在内的所谓生物工业，引进了基因重组、细胞融合等新技术，正在迅速地发展。

把生物工程学应用于化学工业的目的，在于利用和模仿生物所进行的反应，建立高效、省能和无公害的工业。此外，还在于生产从生物中制取的医药、农药等精密化学品乃至石油化学产品。

生物仿生技术应用于生物的各个层次

最近经常使用的“化学仿生”—词，是指“模仿生物的化学反应”而言的，但它并不是简单地模仿生物的化学反应，而是模仿在这里所经营的机构，开发比自然界更优秀而且在工艺学上容易使用的体系。

仿生研究，是在生物体构成的各级层次上进行的。

构成生物体的，首先是酶等分子。分子集合而构成生物膜？连接生物膜的是线粒体等细胞器官。这些小器官团就是细胞、它是生物体最小的基本单位。细胞集合而构成肌肉等组织，再由组织构成肾脏等器官。器官又形成循环系等，而各系又构成生物的个体。这就是生物的层次性，级越高，机能就越高，也更复杂。

模仿生物并构成发挥生物机能的系统，是对应各层次而进行的。在分子级上是人工酶合成，在整体级上是机器人。在各层次系统中都有相对应的材料，叫做仿生材料。

这种材料分为完全人造材料和与生物体的混合系（杂交系）两种。例如、前者有人工酶，后者有固定酶。这种材料的特征集合而形成个体是自不待言的，即使在分子级上，也可以设计成把许多机能连结起来用于一个目的体系。

生物机能的研究是基础

化学仿生中的重要领域，是关于酶、生物膜等作用机制的研究。

因为酶是一种催化剂，所以，在促进反应以后，就会恢复原来状态，其特征是：在常温和常压下，当pH（氢离子浓度）值接近于中性时，催化作用的效率就会升高。其次，酶对反应分子（基质）的选择性（特异性）要比一般催化剂高得多。此外，在这种反应中还具有选择反应方向等特点。

酶是蛋白质，是20种左右的氨基酸连结而成的链状分子，它们折叠排列可形成立体构造。菲雪（1894年）曾用锁匙和锁孔来说明酶把基质带入活性部位的现象，这一点在后来的X线构造分析中得到证实。酶只携带同带入部位的大小、立体构造、电荷以及氨基酸残基的分布相一致的基质而进行反应。这时，酶的反应部位和基质在许多地方相互发生作用，各个接触点的作用相互连结，就可以实现基质特异性和高效率的反应。

在脂质（头部为亲水性，尾部为疏水性的链状分子）的双层膜中，机能性蛋白质因处于流动状态而被掩盖，人们在这些协同作用中发现了生物膜的机能。

如上所述的分子构造和机能之间的关系，即酶和基质以及生物膜盥成分子之间的作用，是新的研究领域，还有许多问题有待查明。利用这种分析的结果而获得设计新材料的方针，也是化学仿生的目的。

用人工方法实现酶的作用的第一步，是合成天然的蛋白质。人们尝试过各种各样的合成、分子量最大的生长激素（氨基酸残基数为188）等已被合成，这是很费功夫的，在实用方面，以氨基酸残基数30~40作为界限。

目前出现的是重组DNA技术，根据这种技术也可以合成大分子，进而开辟新的道路。

要把酶应用于工业，必须提高它的稳定性。虽然有着使用化学方法在酶分子内进行架桥的方法，但其原理还不大明确。这是因为，过去进行的化学工艺是以研究酶的构造为目的，而不是以研究稳定性的系统为目的。这方面的研究是今后的课题。

无论化学合成还是重组DNA技术，都能合成各种氨基酸排列的蛋白质（酶）。被合成的这种蛋白质，折叠排列就呈现立体构造并形成活性部位，进而发挥催化作用。预测和设计蛋白质分子链形成立体构造以后的催化机能，是今后酶工程的关键技术。

起酶的作用的人造物质

使用蛋白质以外的物质人工地实现酶的机能的研究也正在进行。酶除了具有催化机能以外，还起着控制催化机能的作用。此外，活性部位是同时进行基质的特别携带和催化作用的。其方法是：在人造酶中只考虑催化作用，而且区分携带部位和催化部位，在各自的分子中进行排列。

根据这个方针制作人造酶的实例是环状糊精系。它是由葡萄糖环状连结的多糖。1952年人们发现，这种非酶的分子起着酶的作用。最初，仅能实现加水分解反应，后来，在重组反应、聚合反应和氧化反应等有机合成的中心课题方面，也能起酶的作用。

这样，人造酶最近获得质的发展，大体上实现了酶的机能。这种携带机能已经达到能够制造与酶同等或比它更好的物质的水平。它的实用还处于初期阶段，但前景十分诱人，人们期待它能弥补酶的缺点。

以上主要介绍分子级的材料，下面再谈膜级的材料。

模仿生物膜机能的人造内脏器官

在仿生的模型材料中，最多和最实用的是人造内脏器官用的材料。在人造肾脏用的透析膜、吸附型人造肝脏、人造血管等方面使用了各种高分子。内脏器官用的材料与非医用材料最大的区别是对生物体的适合性。

对生物体的适合性分为两种：与血液接触的叫做血液适应性，与体内组织吻接的叫做组织适应性。具有前者性质的材料，比后者的材料更难以制造。最近，虽然由于技术进步而有制造的可能性，但这个深奥问题的解决是将来的课题。除了对生物体的适应性问题以外，如果是肾脏，还必须研制更有效地排除尿毒的材料。总之，存在着研制适应各种器官机能的材料问题。

其次，是研制作为生化学反应之一的、以光合成的人工化为目标的能量转换膜。植物的绿叶，借助太阳能，在空气中进行碳酸的固定。从人工地实现这种光合成内容的观点来看，可分为光电转换系的太阳电池与水的光分解所进行的氢的发生系。最近，由于有机物质而得到百分之一左右的光电转换率，而且，水的光分解水所进行的氢的发生研究结果也较为理想，这种研究正在世界范围内展开。

生物膜机能的特征是：能够高度地识别外来的物质，选择并透过物质，以及具有从浓度稀薄的方面向浓度更高的方面移动的性质（与普通情况相反）。

人们正在研究对物质具有优良识别能力的人造膜，但完全人造的膜还不能得到实用。如后所述的固酶和固定微生物、机能性生物体高分子（例如抗原抗体反应）的膜制成的传感器已得到实用，并应用于医疗诊断、发酵工业的计划管理。作为物质输送的人造膜，其选择透过机能正部分地得到应用，能动输送系还在试制中，实用化是今后的问题。

使酶固定而进行连续反应

所谓生物反应器，是生化学反应器，从广义上说也包含发酵槽，一般是指使用固定酶或固定微生物的反应器。事实上，固定技术与遗传工程可以看作是生物工程学中的两个重要领域。

生化学反应的利用，从古代作为使用微生物的发酵工业而进行的酒类和发酵食品（豆酱、酱油等），发展为氨基酸、生理活性物质、酶、多糖、菌体等的生产。其次，微生物的利用，与净化环境、采矿和能量有关，已从生产乙醇发展为利用生物量技术。近年来又加上细胞培植技术，成为利用生物工程（生物工程学）。过去人们一直认为，在微生物工业中，探索和改良微生物的重要性是固定不变的，但将来可以期待由重组DNA技术和细胞融合构成的遗传工程，再加上新的育种方法而获得成果。

在利用微生物的工程（发酵工业）中，一方面使微生物生育和繁殖，一方面通过这种代谢作用来生产所需要的化学物质。它的缺点是：作为本来原料的基质（酶和特异地起反应的物质）在形成微生物时

被消耗，而且，代谢过程是复杂地共存的，生成物作为混合物被生产出来，有必要对所需要的物质进行分离。因此，有人提出仅仅使用酶来进行反应的方法。但是，一般地说，这种方法也是回分方式（分批处理），价格昂贵的酶在每次反应时被抛弃了。固定酶法是改良的对策。通过这种方法，生成物质和酶是容易分离和再利用的，而且可以进行连续反应。它可以与通常化学工业的催化剂同样处理。

如果能够固定微生物而进行所需要的酶的反应，则可以省去从微生物中取出酶的手续。酶分为菌体内酶和菌体外酶两种。一般地说，菌体内酶一被取出就不稳定，因此要采用固定微生物技术。L天门冬酰胺酸的某种酶所进行的连续生产，在世界上，最初是在日本实现的。

使用固定方法进行的酶活性的持续期间（酶活性缩至一半以前的连续使用期间），通常是20天以上至一两个月，也有持续一年以上的例子。在这种固定微生物法中，有一种方式是把营养物供给微生物，使它生育和繁殖，并分泌和生产所需要的生成物。通过这种方法来延长活性持续期间获得成功的例子，是把酵母渗入海藻的多糖而固定的乙醇的生产。

固定微生物法的发展方向就是这样，在固酶方法中，首先是单一酶的生化学反应所进行的单一生成物的生成系，其次是补酶再生系，或同ATP（三磷酸腺甙）再生系相结合的酶系（氧化还原反应、合成反应等）以及复合酶系。复合酶系的研究，包括使用乙酰激酶的ATP再生系等的研究，以及缩氨醇自动合成反应器的研究。但是，迄今为止，能够在工业中生产的，仅有单一蛋白质的酶。

石油化学也可用生物工程学来代替

一般地说，水溶性酶或微生物，是在反应器中连续生产的，因此，必须具有不溶性和稳定性。这种方法分为三种：（A）载体结合法，（B）架桥法，（C）包括法。（A）是使用物理吸着、离子结合、共有结合的方。（B法）是使酶架桥进行高分子化的方法。（C）是在高分子胶体或微粒胶囊中封闭酶等的方法。

一般地说，由于酶是固定的，所以不仅具有不溶性，而且具有稳定性。一般认为，这就保护了酶的立体构造，增加了对热、蛋白质变性剂、有机溶剂的稳定性。

利用微生物的工业，也可以通过生化学反应和有机合成的组合，进行类固醇激素的合成等。但是，生产食品和药品等价格昂贵的物质是主要的，工艺过程的规模不大。最近，人们重新评价生物工程学是代替高温高压的化学的学问。美国发表了利用酶从过去属于石油化学反应的乙烯和丙烯分别进行乙烯化氧和丙烯化氧所引起的反应的研究报告。这也可以看作是利用遗传工程来改变酶等的性质。有人根据这种动向，预测将来百分之二十的石油化学会变为生物工程学。

[《科学朝日》（日），1981年11月号]