生物信息學的發(fā)展趨勢

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生物信息學的發(fā)展趨勢范文第1篇

關(guān)鍵詞： 生物信息學 農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域 應(yīng)用

“生物信息學”是英文單詞“Bioinformatics”的中文譯名，其概念是1956年在美國田納西州Gatlinburg召開的“生物學中的信息理論”討論會上首次被提出的［1］，由美國學者Lim在1991年發(fā)表的文章中首次使用。生物信息學自產(chǎn)生以來，大致經(jīng)歷了前基因組時代、基因組時代和后基因組時代三個發(fā)展階段［2］。2003年4月14日，美國人類基因組研究項目首席科學家Collins F博士在華盛頓隆重宣布人類基因組計劃（Human Genome Project，HGP）的所有目標全部實現(xiàn)［3］。這標志著后基因組時代（Post Genome Era，PGE）的來臨，是生命科學史中又一個里程碑。生物信息學作為21世紀生物技術(shù)的核心，已經(jīng)成為現(xiàn)代生命科學研究中重要的組成部分。研究基因、蛋白質(zhì)和生命，其研究成果必將深刻地影響農(nóng)業(yè)。本文重點闡述生物信息學在農(nóng)業(yè)模式植物、種質(zhì)資源優(yōu)化、農(nóng)藥的設(shè)計開發(fā)、作物遺傳育種、生態(tài)環(huán)境改善等方面的最新研究進展。

1.生物信息學在農(nóng)業(yè)模式植物研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

1997年5月美國啟動國家植物基因組計劃（NPGI），旨在繪出包括玉米、大豆、小麥、大麥、高粱、水稻、棉花、西紅柿和松樹等十多種具有經(jīng)濟價值的關(guān)鍵植物的基因圖譜。國家植物基因組計劃是與人類基因組工程（HGP）并行的龐大工程［4］。近年來，通過各國科學家的通力合作，植物基因組研究取得了重大進展，擬南芥、水稻等模式植物已完成了全基因組測序。人們可以使用生物信息學的方法系統(tǒng)地研究這些重要農(nóng)作物的基因表達、蛋白質(zhì)互作、蛋白質(zhì)和核酸的定位、代謝物及其調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)等，從而從分子水平上了解細胞的結(jié)構(gòu)和功能［5］。目前已經(jīng)建立的農(nóng)作物生物信息學數(shù)據(jù)庫研究平臺有植物轉(zhuǎn)錄本（TA）集合數(shù)據(jù)庫TIGR、植物核酸序列數(shù)據(jù)庫PlantGDB、研究玉米遺傳學和基因組學的MazeGDB數(shù)據(jù)庫、研究草類和水稻的Gramene數(shù)據(jù)庫、研究馬鈴薯的PoMaMo數(shù)據(jù)庫，等等。

2.生物信息學在種質(zhì)資源保存研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

種質(zhì)資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源，它包括許多農(nóng)藝性狀（如抗病、產(chǎn)量、品質(zhì)、環(huán)境適應(yīng)性基因等）的等位基因。植物種質(zhì)資源庫是指以植物種質(zhì)資源為保護對象的保存設(shè)施。至1996年，全世界已建成了1300余座植物種質(zhì)資源庫，在我國也已建成30多座作物種質(zhì)資源庫。種質(zhì)入庫保存類型也從單一的種子形式，發(fā)展到營養(yǎng)器官、細胞和組織，甚至DN段等多種形式。保護的物種也從有性繁殖植物擴展到無性繁殖植物及頑拗型種子植物等［6］。近年來，人們越來越多地應(yīng)用各種分子標記來鑒定種質(zhì)資源。例如微衛(wèi)星、AFLP、SSAP、RBIP和SNP等。由于對種質(zhì)資源進行分子標記產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，因此需要建立生物信息學數(shù)據(jù)庫和采用分析工具來實現(xiàn)對這些數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計和計算機分析等［7］。

3.生物信息學在農(nóng)藥設(shè)計開發(fā)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的藥物研制主要是從大量的天然產(chǎn)物、合成化合物，以及礦物中進行篩選，得到一個可供臨床使用的藥物要耗費大量的時間與金錢。生物信息學在藥物研發(fā)中的意義在于找到病理過程中關(guān)鍵性的分子靶標、闡明其結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系，從而指導設(shè)計能激活或阻斷生物大分子發(fā)揮其生物功能的治療性藥物，使藥物研發(fā)之路從過去的偶然和盲目中找到正確的研發(fā)方向。生物信息學為藥物研發(fā)提供了新的手段［8，9］，導致了藥物研發(fā)模式的改變［10］。目前，生物信息學促進農(nóng)藥研制已有許多成功的例子。Itzstein等設(shè)計出兩種具有與唾液酸酶結(jié)合化合物：4-氨基-Neu5Ac2en和4-胍基-Neu5Ac2en。其中，后者是前者與唾液酸酶的結(jié)合活性的250倍［11］。目前，這兩種新藥已經(jīng)進入臨床試驗階段。TANG SY等學者研制出新一代抗AIDS藥物saquinavir［12］。Pungpo等已經(jīng)設(shè)計出幾種新型高效的抗HIV-1型藥物［13］。楊華錚等人設(shè)計合成了十多類數(shù)百個除草化合物，經(jīng)生物活性測定，部分化合物的活性已超過商品化光合作用抑制劑的水平［14］。

現(xiàn)代農(nóng)藥的研發(fā)已離不開生物信息技術(shù)的參與，隨著生物信息學技術(shù)的進一步完善和發(fā)展，將會大大降低藥物研發(fā)的成本，提高研發(fā)的質(zhì)量和效率。

4.生物學信息學在作物遺傳育種研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著主要農(nóng)作物遺傳圖譜精確度的提高，以及特定性狀相關(guān)分子基礎(chǔ)的進一步闡明，人們可以利用生物信息學的方法，先從模式生物中尋找可能的相關(guān)基因，然后在作物中找到相應(yīng)的基因及其位點。農(nóng)作物的遺傳學和分子生物學的研究積累了大量的基因序列、分子標記、圖譜和功能方面的數(shù)據(jù)，可通過建立生物信息學數(shù)據(jù)庫來整合這些數(shù)據(jù)，從而比較和分析來自不同基因組的基因序列、功能和遺傳圖譜位置［15］。在此基礎(chǔ)上，育種學家就可以應(yīng)用計算機模型來提出預(yù)測假設(shè)，從多種復(fù)雜的等位基因組合中建立自己所需要的表型，然后從大量遺傳標記中篩選到理想的組合，從而培育出新的優(yōu)良農(nóng)作物品種。

5.生物信息學在生態(tài)環(huán)境平衡研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

在生態(tài)系統(tǒng)中，基因流從根本上影響能量流和物質(zhì)流的循環(huán)和運轉(zhuǎn)，是生態(tài)平衡穩(wěn)定的根本因素。生物信息學在環(huán)境領(lǐng)域主要應(yīng)用在控制環(huán)境污染方面，主要通過數(shù)學與計算機的運用構(gòu)建遺傳工程特效菌株，以降解目標基因及其目標污染物為切入點，通過降解污染物的分子遺傳物質(zhì)核酸 DNA，以及生物大分子蛋白質(zhì)酶，達到催化目標污染物的降解，從而維護空氣［16］、水源、土地等生態(tài)環(huán)境的安全。

美國農(nóng)業(yè)研究中心（ARS） 的農(nóng)藥特性信息數(shù)據(jù)庫（PPD） 提供 334 種正在廣泛使用的殺蟲劑信息，涉及它們在環(huán)境中轉(zhuǎn)運和降解途徑的16種最重要的物化特性。日本豐橋技術(shù)大學（Toyohashi University of Technology） 多環(huán)芳烴危險性有機污染物的物化特性、色譜、紫外光譜的譜線圖。美國環(huán)保局綜合風險信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫（IRIS） 涉及 600種化學污染物，列出了污染物的毒性與風險評價參數(shù)，以及分子遺傳毒性參數(shù)［17］。除此之外，生物信息學在生物防治［18］中也起到了重要的作用。網(wǎng)絡(luò)的普及，情報、信息等學科的資源共享，勢必會創(chuàng)造出一個環(huán)境微生物技術(shù)信息的高速發(fā)展趨勢。

6.生物信息學在食品安全研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

食品在加工制作和存儲過程中各種細菌數(shù)量發(fā)生變化，傳統(tǒng)檢測方法是進行生化鑒定，但所需時間較長，不能滿足檢驗檢疫部門的要求，運用生物信息學方法獲得各種致病菌的核酸序列，并對這些序列進行比對，篩選出用于檢測的引物和探針，進而運用PCR法［19］、RT-PCR法、熒光RT-PCR法、多重PCR［20］和多重熒光定量PCR等技術(shù)，可快速準確地檢測出細菌及病毒。此外，對電阻抗、放射測量、ELISA法、生物傳感器、基因芯片等［21-25］技術(shù)也是未來食品病毒檢測的發(fā)展方向。

轉(zhuǎn)基因食品檢測是通過設(shè)計特異性的引物對食品樣品的DNA提取物進行擴增，從而判斷樣品中是否含有外源性基因片段［26］。通過對轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫信息的及時更新，可準確了解各國新出現(xiàn)和新批準的轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品，便于查找其插入的外源基因片段，以便及時對檢驗方法進行修改。目前由于某些通過食品傳播的病毒具有變異特性，以及檢測方法的不完善等因素影響，生物信息學在食品領(lǐng)域的應(yīng)用還比較有限，但隨著食品安全檢測數(shù)據(jù)庫的不斷完善，相信相關(guān)的生物信息學技術(shù)將在食品領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

生物信息學廣泛用于農(nóng)業(yè)科學研究的各個領(lǐng)域，但是僅有信息資源是不夠的，選出符合自己需求的生物信息就需要情報部門，以及信息中介服務(wù)機構(gòu)提供相關(guān)服務(wù)，通過出版物、信息共享平臺、數(shù)字圖書館、電子論壇等信息媒介的幫助，科研工作者可快速有效地找到符合需要的信息。目前我國生物信息學發(fā)展還很不均衡，與國際前沿有一定差距，這需要從事信息和科研的工作者們不斷交流，使得生物信息學能夠更好地為我國農(nóng)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展發(fā)揮作用。

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生物信息學的發(fā)展趨勢范文第2篇

1BMEs/EMBS’99國際生物醫(yī)學工程學術(shù)年會

BMES是美國生物醫(yī)學工程學會(BiomediealEngineeringSoeiety)的簡稱.EMBS是美國電氣電子工程師學會(TheInstituteofEleetriealandEleetroniesEngineers)的生物醫(yī)學工程分會(EngineeringinMedieineandBiologySoeiety)的簡稱。這兩個學會每年都舉行生物醫(yī)學工程的國際會議。1999年，這兩個學會首次聯(lián)合舉辦學術(shù)年會(ThefirstJointMeet-ingofBMES&EMBS)。會議錄用的論文近1400篇，注冊人數(shù)接近2000人，堪稱生物醫(yī)學工程界的盛會。我們醫(yī)學信息工程科研組共有8篇文章在會上發(fā)表。其中，由楊福生教授指導的博士生詹望的論文“Anewhigh一resolutionEEGteehniquebasedonfiniteresistaneenetworkmo己el”榮獲BMES1999年研究生研究獎。這是唯一的來自美國本土之外的學生獲獎，在會上反響很好。與以往的做法類似，會議的學術(shù)交流仍采用主題(Theme)一主軌(Track)一分組會(Session)的方式。本次會議有16個Theme，86個Traek，211個Session，共收錄論文1347篇。各個主月的情況見表1.與以往的年會相比，這次年會有更多的結(jié)合生物學羞礎(chǔ)的研究報道(如“分子、細胞與組織工程”、“生物信息學、計算生物學”等)，反映了近年來一些發(fā)達國家生物醫(yī)學工程研究的一個發(fā)展趨勢。同時，傳統(tǒng)生物醫(yī)學工程中的信號與圖像處理，以及醫(yī)學儀器仍然占有相當?shù)谋壤?/p>

2美國離校生物醫(yī)學工程專業(yè)點滴

會后，我順訪了幾所大學的生物醫(yī)學工程系或研究所:①TheGeorgeWashingtonUni-versity，②JohnsHopkinsUniversity，③Universityofpittsburgh，④UniversityofMiehi-gan，重點了解了以下3個板城的研究情況。(1)臉與神經(jīng)科學。腦功能的研究是21世紀生命科學研究的熱點，各個學校與醫(yī)療單位的科研機構(gòu)都十分重視。研究內(nèi)容包括驀破生理實臉、信號處理方法、臨床應(yīng)用以及一些有商業(yè)前景的開發(fā)項目。(2)醫(yī)學超聲工程。超聲成像由于對人體無創(chuàng)、無扭而受到重視。超聲成像包括反映解剖結(jié)構(gòu)的B型成像，還包括血流側(cè)t。近年來在結(jié)構(gòu)成像方面普遨受到t視的是三維成像，這也是我們課翅組目前在醫(yī)學超聲方面研究的!點。同時，將解例結(jié)構(gòu)與組織定征結(jié)合起來也是近年來研究的發(fā)展趨勢，例如，組織彈性成像就是一個例子。(3)醫(yī)學信息學。隨粉計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學信息學在近年中有了較明顯的發(fā)展，如醫(yī)院信息管理系統(tǒng)、以病人為中心的醫(yī)療信息管理及電子病案、遠程醫(yī)療等。

發(fā)達國家在這方面同樣也走在前面。在美國，計算機與網(wǎng)絡(luò)已成了各行各業(yè)乃至每個家庭與個人都離不開的基本工具與環(huán)境。醫(yī)學信息學的發(fā)展對提離全民醫(yī)療保健的水平起到了不可低枯的作用。在訪期間，有機會與這些學校的故授進行廣泛的學術(shù)交流，并探討雙方合作的項目與方式。例如，U垃ver溢tyofPittsburgh醫(yī)學院神經(jīng)外科研究所在腦電信號的采集與處理方面有很深人的研究，而我們科研組在這方面也承擔粉國家墓金項目，雙方都有興趣在腦電信號的處理方面開展合作。從該研究所我們得到了大t珍貴的臨床數(shù)據(jù)，對這些致?lián)M行研究后，我們將撅博士生或教師去UniversityofPittsburgh開展合作研究。通過這次訪問，看到了發(fā)達國家在生物醫(yī)學工程方面很多有深度的基礎(chǔ)研究。從設(shè)備條件與經(jīng)費投人方面著，發(fā)達國家的優(yōu)勢非常明顯，但我們也不是因此就無所作為。我們在生物醫(yī)學信號處理的理論與實踐方面經(jīng)過多年努力已經(jīng)接近并在某些方面達到國際先進水平。如果注意發(fā)揮自己的優(yōu)勢，特別是有意識地提出創(chuàng)新性的想法，我們一定也能取得國際上承認的研究成果.另外，在今后的研究中注意更廣泛地開展國際合作，爭取利用國外先進的設(shè)備與實驗條件，對推動我們的研究工作也是十分必要的.

生物信息學的發(fā)展趨勢范文第3篇

21世紀是信息爆炸的世紀,特別是生物醫(yī)學信息技術(shù)發(fā)展非常迅猛,許多最新的科研成果都是最先發(fā)表在互聯(lián)網(wǎng)上。在這樣的一個背景下,如何更好地提高醫(yī)學生實習帶教的質(zhì)量是每個醫(yī)學教學工作者都要面臨的問題。隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,傳統(tǒng)的教學模式面臨巨大的挑戰(zhàn)。將生物醫(yī)學信息學貫穿于眼科實習帶教整個過程,將大大提高教學質(zhì)量。

1傳統(tǒng)、單一教學模式的局限性

在我國,傳統(tǒng)的教學模式是老師講、學生聽,老師教、學生學。兩者之間是主動與被動的關(guān)系,教師是傳道、授業(yè)、解惑的始動者,而學生則始終處于被動者的地位[1]。而老師為了盡量“少犯錯誤”,總是只講述教科書上的東西。不論是小學、中學還是大學,莫不如此。這樣很可能導致這樣的一個局面:培養(yǎng)出來的學生存在高分低能的現(xiàn)象,即考卷題目答得不錯,現(xiàn)實生活中卻不能應(yīng)用自己的知識技能。特別是在醫(yī)學生的教育問題上,許多傳統(tǒng)教育模式培養(yǎng)出來的學生進入臨床實習階段后暴露出以下問題:理論知識無法聯(lián)系實際,缺乏臨床思維能力,缺乏信息拓展能力。而醫(yī)學是一門充滿探索性和變化性的科學,今天為大家普遍接受的觀點可能明天就會被發(fā)現(xiàn)是錯誤的。具體到人,同樣的病在不同的患者身上表現(xiàn)不同,同一個患者在疾病的不同階段會有不同的表現(xiàn)。怎樣在實踐中認識疾病和治療疾病是一個很大的難題。如何讓目前的醫(yī)學生以后成為名副其實的白衣天使,就需要改變以往的教學方法,大力利用生物醫(yī)學信息學來提高教學質(zhì)量。

2生物醫(yī)學信息學在醫(yī)學生實習帶教中的應(yīng)用

生物醫(yī)學信息學是研究生物醫(yī)學信息、數(shù)據(jù)和知識存儲、檢索并有效利用,以便在衛(wèi)生管理、臨床控制和知識分析過程中做出決策和解決問題的科學。以往,生物信息學和醫(yī)學信息學一直是兩個不同的學科,應(yīng)用于各自不同的領(lǐng)域,隨著人類基因組計劃的實施,醫(yī)學研究不可避免的向生物領(lǐng)域靠攏,這時就出現(xiàn)了整合的生物醫(yī)學信息學。作為一門廣泛的交叉學科,生物醫(yī)學信息學提供新的生物醫(yī)學知識的開發(fā)和共享框架[2]。生物醫(yī)學信息的來源眾多,科學文獻、學術(shù)會議、個人交流和國際互聯(lián)網(wǎng)等等。其中科學文獻包含了圖書、期刊、檢索工具、專利文獻、技術(shù)標準、學位論文和技術(shù)檔案[3]。21世紀的生物醫(yī)學信息已不單單局限于書本,在強大信息科學、計算機科學的背景下孕育而生的各類功能齊全的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)交互已成為目前獲取生物醫(yī)學信息的主流方式。傳統(tǒng)的生物醫(yī)學信息學側(cè)重于文獻信息管理、分析研究。而現(xiàn)代生物醫(yī)學信息學更強調(diào)計算機技術(shù)與IT應(yīng)用到醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域。在具備一定知識背景的前提下,如果醫(yī)學生所在實習的場所有個人計算機,并且可以互聯(lián)網(wǎng)搜索的話,那么數(shù)字化信息會是最容易獲得和最方便使用的信息來源。目前國內(nèi)信息的來源以國際互聯(lián)網(wǎng),電子書籍和電子音像資料最多。生物醫(yī)學信息學在醫(yī)學中的應(yīng)用很廣,在醫(yī)學帶教中更是起到重要的作用。

就師方而言,傳統(tǒng)的教學以書寫板書為主,這樣既耗時又呆板,信息的傳遞受到限制,而目前在帶教中則更多使用的是多媒體教學和各種影音工具,這種模式不僅在較短的時間內(nèi)傳遞更多的信息,而且方式生動易懂,能夠最大限度地調(diào)動學生的積極性,使學生更好地獲取知識。就學方而言,傳統(tǒng)的國內(nèi)教學更注重的是知識的單向傳授,學生的被動接受,這樣教學的結(jié)果往往是理論知識瑯瑯上口,實踐能力慘不忍睹。而今隨著信息學的推廣和普及,學生的學習由被動轉(zhuǎn)為主動,互聯(lián)網(wǎng)浩瀚的知識吸引著學生不斷探索,而知識的不斷更新使臨床帶教過程更為活躍,無論對教師還是學生,書本將不再是獲得信息的唯一手段。現(xiàn)今在臨床帶教過程中時常出現(xiàn)的學生通過最新的知識進展將老師問倒的情況,這種現(xiàn)象是令人喜悅的,而這種良性循環(huán)將更有利于醫(yī)學帶教的進步。筆者通過多年親身帶教經(jīng)歷,并做了問卷調(diào)查,反饋比較了傳統(tǒng)板書帶教和滲透醫(yī)學信息學帶教,初步統(tǒng)計結(jié)果顯示醫(yī)學信息學帶教學生給出好評的頻數(shù)更高,可見醫(yī)學信息學帶教方式更受學生歡迎;同時通過最后實際病例分析考核學生,結(jié)果同樣顯示醫(yī)學信息學帶教方式的學生給出答案更齊全,思維更開闊。目前國外常用的醫(yī)學專業(yè)搜索引擎包括:HealthGate、MedicalWorldSearch等,常用的醫(yī)學專業(yè)數(shù)據(jù)庫包括MEDLINE、SIENCEDIRECT等。而國內(nèi)相關(guān)的信息來源也開始健全和發(fā)展。醫(yī)學生既可以直接進入以上數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)址查詢,也可以選定主題后通過Google、Achoo、搜狐、雅虎等搜索引擎進行搜索。網(wǎng)上的資源十分豐富,既有經(jīng)典的理論,又有最新的研究發(fā)現(xiàn)。而且,學生還可以將自己的問題通過電子郵件或者BBS發(fā)送給全世界的學者求助。

3教師指導醫(yī)學生進行生物醫(yī)學信息學學習和應(yīng)用

生物信息學的發(fā)展趨勢范文第4篇

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)課堂；生物學教學；課程資源

中圖分類號：G427 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8454（2016）21-0044-04

一、翻轉(zhuǎn)課堂的理論發(fā)展

翻轉(zhuǎn)課堂（flipped classroom）起源于2007年，美國科羅拉多州（Colorado）的林地公園高中（Woodland Park High School）[1]的兩位化學老師，喬納森?伯爾曼（Jonathan Bergmann）和亞綸?薩姆斯（Aaron Sams），將自己的授課PPT和實時音頻錄制下來放到網(wǎng)上供學生課前觀看學習，課堂上對學習中遇到的問題進行討論、解決。由此，兩位老師開始實踐一種新的教學模式， 即翻轉(zhuǎn)課堂：學生課前完成對教學視頻等學習資源的觀看和學習，師生在課堂上互動交流，協(xié)作探究，解決問題。

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，翻轉(zhuǎn)課堂迅速發(fā)展。2011年，美國富蘭克林學院（Franklin College）的羅伯特?泰爾波特（Robert Talbert），總結(jié)出的翻轉(zhuǎn)課堂理論模型[2]，包括課前的學生觀看教學視頻，進行導向性作業(yè)練習；課中的學生完成少量的測驗，通過解決問題來完成知識的內(nèi)化，最后進行總結(jié)反饋[3]。教學形式由傳統(tǒng)課堂講解變?yōu)檎n前學習加課堂探究，學生通過解決問題來內(nèi)化知識，提高知識應(yīng)用能力。2012年，喬納森?伯格曼（Jonathan Bergmann）和亞倫?薩姆斯（Aaron Sams），創(chuàng)立了翻轉(zhuǎn)學習網(wǎng)絡(luò)FLN（Flipped Learning Network），提出翻轉(zhuǎn)學習的四個關(guān)鍵支柱：靈活的學習環(huán)境―教師靈活安排教學，學生自主學習；學習文化的變革―教師中心轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生中心；定制內(nèi)容―教師明確講授的內(nèi)容和學生自習內(nèi)容；專業(yè)的教師―翻轉(zhuǎn)課堂中需專業(yè)教師掌控課堂。2013年，美國猶他州州立大學的雅各布?畢曉普（Jacob Bishop），總結(jié)分析諸多觀點后認為，翻轉(zhuǎn)課堂是以學生為中心的課堂學習和以教師為中心的課外基于計算機進行個性化教學的總和[4]。

在國內(nèi)，2011年，重慶市聚奎中學結(jié)合校園云技術(shù)開始翻轉(zhuǎn)課堂教學，總結(jié)出“課前四步，課中五環(huán)”的翻轉(zhuǎn)模式[5]。“課前四步”包括設(shè)計導學案、錄制視頻教學、學生自主學習、制定個別輔導計劃；“課中五環(huán)”包括合作探究、釋疑拓展、練習鞏固、自主糾錯、反思總結(jié)。通過這個模式，聚奎中學完成了教師灌輸―學生接受到學生自主學習―發(fā)現(xiàn)問題―教師引導解決問題的轉(zhuǎn)變。2012年，南京大學張金磊[6]，根據(jù)建構(gòu)主義學習理論，在羅伯特?泰爾波特（Robert Talbert）的翻轉(zhuǎn)課堂理論模型基礎(chǔ)上構(gòu)建了翻轉(zhuǎn)課堂教學模型（圖1），其中，信息技術(shù)和活動學習是兩個有力支撐。信息技術(shù)支持和活動學習的開展保證了個性化、協(xié)作式學習環(huán)境的構(gòu)建與生成。此理論在國內(nèi)被廣泛接受，成為國內(nèi)翻轉(zhuǎn)課堂教學實踐的主要理論基礎(chǔ)。2013年，山東省昌樂一中開始翻轉(zhuǎn)課堂實踐，并逐步形成了“二段四步十環(huán)節(jié)”翻轉(zhuǎn)模式。“二段十環(huán)節(jié)”是指，自學質(zhì)疑階段的目標導學、教材自學、微課助學、合作互學、在線測學，訓練展示階段的疑難突破、訓練展示、合作提升、評價點撥、總結(jié)反思；“四步”是指教師課前要進行課時規(guī)劃、微課設(shè)計、兩案編制、微課錄制[7]。 這種翻轉(zhuǎn)模式提高了教師對課堂的掌控能力和學生的參與度，學生知識內(nèi)化的過程更符合青少年認知發(fā)展的規(guī)律。

二、翻轉(zhuǎn)課堂的生物學領(lǐng)域應(yīng)用

翻轉(zhuǎn)課堂作為一種基于信息技術(shù)的新型教學模式，最終要運用到學科教學當中。國內(nèi)外眾多學校在生物學科領(lǐng)域開展了翻轉(zhuǎn)課堂教學實踐（表1）。下面我們就其中的兩個案例進行簡要評述。

1.分子細胞生物學翻轉(zhuǎn)課堂

在2007年到2013年期間，耶魯大學（Yale university）和麻省大學（University of Massachusetts），用超過5年的時間，在分子細胞生物學教學方面展開翻轉(zhuǎn)教學實踐，其中前三年進行傳統(tǒng)教學，后兩年運用羅伯特?泰爾波特（Robert Talbert）翻轉(zhuǎn)課堂模型的理論模型進行翻轉(zhuǎn)教學。實踐發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)課堂相比，學生學習目標更加明確，自主學習能力和展示自我能力提高，并且學生更喜歡翻轉(zhuǎn)課堂中多樣化的學習資料，班級平均分與女生的成績有明顯提高。但在實施翻轉(zhuǎn)課堂后的幾次考試中，最后一次的成績略有下降， 同時發(fā)現(xiàn)，男女生成績存在差異。分析認為，一段時間后成績下降是由于翻轉(zhuǎn)課堂對學生的學習刺激逐漸消退，學生自我內(nèi)驅(qū)力降低，例如：課前不預(yù)習、課上不參與等，造成考試成績下降，男女生成績存在差異是因為男女生的認知水平和思維方式存在性別差異。

2.生物信息學翻轉(zhuǎn)課堂

2014年，肇慶學院生命科學院，在生物信息學課程中展開翻轉(zhuǎn)課堂教學實踐。該教學實踐借鑒了張金磊提出的翻轉(zhuǎn)教學理論模型。實踐發(fā)現(xiàn)，通過學習優(yōu)質(zhì)的教學資源，學生在探究能力、團隊協(xié)作能力以及學術(shù)視野等方面均有提高，學生綜合能力得到發(fā)展；教師角色發(fā)生轉(zhuǎn)變，由學習主導者變?yōu)橹笇д撸瑢I(yè)素質(zhì)和掌控課堂能力也得到提高。同時，翻轉(zhuǎn)課堂的實施推動了校園多媒體的建設(shè)。在實施翻轉(zhuǎn)教學時，實踐者發(fā)現(xiàn)，教師的教學和科研能力，網(wǎng)絡(luò)資源、圖書資料等硬件設(shè)施和相關(guān)教學軟環(huán)境成為高質(zhì)量翻轉(zhuǎn)教學的限制因素。

上述實踐表明，翻轉(zhuǎn)課堂在學科教學中有諸多益處，但仍存在一定問題和限制因素。首先，實施翻轉(zhuǎn)課堂時，學生有“接受”的心理過程，此過程受到教育環(huán)境、教育者及教學觀念的制約[13]。其次，新課堂模式不能對學生形成持續(xù)性的學習刺激。因此，設(shè)計翻轉(zhuǎn)課堂時要考慮四個方面問題[14]：①尊重學生的心理與認知發(fā)展規(guī)律；②在課堂內(nèi)外建立有效的聯(lián)系；③教師指導學生時定義和結(jié)構(gòu)要清晰；④制定合理有效的評價機制。

三、翻轉(zhuǎn)課堂的課程資源

隨著翻轉(zhuǎn)課堂的發(fā)展，微課和慕課等課程資源地位越來越高。微課是以闡釋某一知識點為目標，以短小精悍的視頻為表現(xiàn)形式，整合了教學素材、在線測驗、教學反饋、以及交流互動等多種要素的教學手段[15]。近年來，美國薩爾曼?可汗（Salman Khan）創(chuàng)辦的可汗學院（Khan Academy）以及TED（Technology Entertainment Design）設(shè)立的在線課程（http：///）廣受關(guān)注和歡迎。國內(nèi)的國家教育部教育管理信息中心創(chuàng)辦的“中國微課網(wǎng)”資源平臺， 全國高校微課教學比賽網(wǎng)[16]，以及微課網(wǎng)，為我國大中學校的生物學課程提供了大量的“微課”資源（表2）。

幕課全稱“大規(guī)模開放在線課程”（Massive Open Online Course），是基于資源、學習管理系統(tǒng)并且將學習管理系統(tǒng)與更多網(wǎng)絡(luò)資源綜合起來的新課程模式。這種課程模式通過在授課視頻中加入提問、在線測驗和專題討論的方式加強互動，并鼓勵學習者利用個性化學習工具如QQ、微信等進行學習[17]。目前世界上廣泛使用的的慕課平臺有Coursera、Udacity、edX三大平臺。Coursera是由斯坦福大學教授吳恩達（Andrew Ng）和達芙妮?科勒（Daphne Koller）創(chuàng)建的免費在線課程網(wǎng)站，目前提供涵蓋人文、醫(yī)學、生物學、社會科學、數(shù)學、商業(yè)、計算機科學等24個學科329門免費課程。Udacity是一個斯坦福大學教授創(chuàng)辦的商業(yè)化課程網(wǎng)站，該網(wǎng)站主要提供計算機類課程，但是若想獲得課程證書學習者必須參加考試中心組織的期末考試并支付費用。edX是一個由美國麻省理工學院和哈佛大學合作的非營利性項目，支持哈佛大學和麻省理工學院的教授向全球共享其教學資源，在線內(nèi)容同時也被用于豐富校內(nèi)課程[18]。2013年，北京大學和清華大學宣布加入edX[19]，隨后，復(fù)旦大學和上海交通大學宣布加盟Coursera[20]。在國內(nèi)，“MOOC中國”是常用的慕課平臺。這幾大平臺中已經(jīng)開設(shè)了大量生物學科慕課（表3），為生物學科翻轉(zhuǎn)課堂實踐提供了有力支撐。

四、面臨的問題和發(fā)展趨勢

1.面臨的問題

翻轉(zhuǎn)課堂具有提高教學效率、激發(fā)學習興趣、培養(yǎng)學生團隊合作交流能力等優(yōu)點，但在具體的實施過程中也面臨諸多問題。第一，教師如何加強自身信息技術(shù)素養(yǎng)。翻轉(zhuǎn)課堂的第一步就是要求教師制作優(yōu)質(zhì)的教學視頻，這對教師的多媒體制作技術(shù)要求較高，并且會耗費教師大量的時間[21]。第二，教師角色如何轉(zhuǎn)變。相較于傳統(tǒng)教學，翻轉(zhuǎn)課堂教學活動展開要結(jié)合教師啟發(fā)、引導、監(jiān)控與學生主動性、積極性和創(chuàng)造性兩方面內(nèi)容[22]，這對教師綜合素質(zhì)有了更高的要求。第三，國內(nèi)學生由于傳統(tǒng)課堂的制約導致不善于提問和主動性不強，這會使得翻轉(zhuǎn)課堂效果降低。第四，實施生物學翻轉(zhuǎn)課堂時，是否能充分利用各種教育資源，如科技館、植物園、動物園以及企業(yè)等[23]。第五，經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)可以滿足各種多媒體教學手段，經(jīng)濟基礎(chǔ)較差地區(qū)或山區(qū)的學校，既沒有多媒體也沒有網(wǎng)絡(luò)。在這種背景下，如何有效的整合教育資源，促進教育公平[24]，是一個亟待解決的重大問題。

2.發(fā)展趨勢

翻轉(zhuǎn)課堂改變了傳統(tǒng)的課堂結(jié)構(gòu)中“以知識為中心”或“以教師為中心”的現(xiàn)狀，以學生為中心展開教學活動。不斷完善的計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為翻轉(zhuǎn)課堂的實施提供了技術(shù)支撐，但翻轉(zhuǎn)課堂并不能完全替代傳統(tǒng)課堂，而是與其他課堂形式結(jié)合，為學生提供更多元化、更適合學生的學習模式。小班制班級更適合翻轉(zhuǎn)課堂的實施，更有利于實施個性化教學。對于生物學科而言，可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及越來越發(fā)達的網(wǎng)絡(luò)終端制作專題APP或?qū)ｎ}網(wǎng)頁來進行教學活動，例如，生物數(shù)據(jù)分析科教網(wǎng)（http：///）。翻轉(zhuǎn)課堂模式在我國實施的時間較短，但從中國知網(wǎng) （CNKI） 收錄的有關(guān)翻轉(zhuǎn)課堂期刊文獻統(tǒng)計顯示，2013年，與翻轉(zhuǎn)課堂為主題的期刊文獻只有122篇，但到2016年3月，相關(guān)期刊文獻總計達到3358篇，說明翻轉(zhuǎn)課堂模式在我國的關(guān)注度越來越高。隨著社會經(jīng)濟以及科學技術(shù)的不斷發(fā)展，加之各學校的深入實踐，相信一定能探索出適合中國教育背景的翻轉(zhuǎn)課堂模式，為中國的教育改革提供借鑒。

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生物信息學的發(fā)展趨勢范文第5篇

生物化學工程（又叫生化工程或生物化工）是化學工程與生物技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。生物化工是生物技術(shù)的重要分支。與傳統(tǒng)化學工業(yè)相比，生物化工有某些突出特點：①主要以可再生資源作原料；②反應(yīng)條件溫和，多為常溫、常壓、能耗低、選擇性好、效率高的生產(chǎn)過程；③環(huán)境污染較少；④投資較小；⑤能生產(chǎn)目前不能生產(chǎn)的或用化學法生產(chǎn)較困難的性能優(yōu)異的產(chǎn)品。由于這些特點，生物化工已成為化工領(lǐng)域重點發(fā)展的行業(yè)。

1.世界生物化工行業(yè)的現(xiàn)狀

生物化工發(fā)展至今已經(jīng)歷了半個多世紀，最早主要是生產(chǎn)抗生素；隨后，是為氨基酸發(fā)酵、舀體激素的生物轉(zhuǎn)化、維生素的生物法生產(chǎn)、單細胞蛋白生產(chǎn)及淀粉糖生產(chǎn)等工業(yè)化服務(wù)。自20世紀80年代起，隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的興起，生物化工又利用重組微生物、動植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)等手段生產(chǎn)藥用多肽、蛋白、疫苗、干擾素等。而且，生物化工的應(yīng)用已涉及到人民生活的方方面面，包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、化輕原料生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品、環(huán)境保護、資源和能源的開發(fā)等各領(lǐng)域。隨著生物化工上游技術(shù)——生物工程技術(shù)的進步以及化學工程、信息技術(shù)（IT）和生物信息學（bioinformatics）等學科技術(shù)的發(fā)展，生物化工將迎來又一個嶄新的發(fā)展時期。

生物化工行業(yè)經(jīng)過50多年的發(fā)展，已形成了一個完整的工業(yè)體系，整個行業(yè)也出現(xiàn)了一些新的發(fā)展態(tài)勢。下面簡要描述生物化工行業(yè)的現(xiàn)狀。

1．1工業(yè)結(jié)構(gòu)

由于生物化工涉及面廣，涉及的行業(yè)多，所以從事生物化工的企業(yè)較多。據(jù)報道，90年代中期，美國生物化工企業(yè)有：000多家，西歐有580多家，日本有300多家。近年來，雖然由于行業(yè)競爭日趨激烈，生物化工企業(yè)有較大幅度減少，但與生命科學（主要指醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)生化技術(shù)）諸侯割據(jù)的局面相比，生物化工行業(yè)依然是百花齊放，百家爭鳴。既有象諾華、捷利康等從事生命科學的世界性大公司，也有象DSM、諾和諾德等大型的精細化工公司，當然也有在某一方面有專長的小公司如Altus等。而且，由于世界大公司正把注意力向生命科學部分轉(zhuǎn)移，生物化工行業(yè)百花齊放的局面在很長一段時間內(nèi)不會有什么改變。

1．2產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的生物化工行業(yè)主要是指抗生素（如青霉素等）、食品（如酒精、味精等）等行業(yè)，而在目前，它已幾乎滲透到人民生活的各方面如醫(yī)藥、保健、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源、材料等。同時，生物化工產(chǎn)品也得到了極大的拓展：醫(yī)藥方面有各種新型抗生素、干擾素、胰島素、生長激素、各種生長因子、疫苗等；氨基酸和多肽方面有賴氨酸、天冬氨酸、丙氨酸、蘇氨酸、脯氨酸等以及各種多肽；酶制劑有160多種，主要有糖化酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶、青霉素酶、過氧化氫酶等；生物農(nóng)藥有Bt、春日霉素、多氧霉素、井崗霉素等；有機酸有檸檬酸、乳酸、蘋果酸、衣康酸、延胡索酸、已二酸、脂肪酸、卜酮戊二酸、l亞麻酸、透明質(zhì)酸等。還有微生物法1，3．丙二醇、丙烯酞胺等。

目前，全球生物化工年銷售額在400億美元左右，每年約以7％～8％的速率增長。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，生物化工領(lǐng)域生產(chǎn)規(guī)模范圍極廣，市場年需求量僅為千克級的干擾素、促紅細胞生長素等昂貴產(chǎn)品（價格可達數(shù)萬美元／g）與年需求量逾萬噸的抗生素、酶、食品與飼料添加劑、日用與農(nóng)業(yè)生化制品等低價位產(chǎn)品（部分價格不到：美元／g）幾乎平分秋色。高價位的產(chǎn)品市場份額在50％～60％，低價位的產(chǎn)品市場份額在40％～50％。而且，根據(jù)近年來生物化工的發(fā)展趨勢及人們對醫(yī)藥衛(wèi)生的重視來看，高價位產(chǎn)品的發(fā)展速率高于低價位產(chǎn)品。

1．3技術(shù)水平

生物化工經(jīng)過80年代以后的蓬勃發(fā)展，不僅整個行業(yè)技術(shù)水平有大幅度提高，而且許多新技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用。

1．3．1發(fā)酵工程技術(shù)已見成效

據(jù)估計，全球發(fā)酵產(chǎn)品的市場有120～130億美元，其中抗生素占46％，氨基酸占16.3％，有機酸占13．2％，酶占10％，其它占14．5％。發(fā)酵產(chǎn)品市場的增大與發(fā)酵技術(shù)的進步分不開。現(xiàn)代生物技術(shù)的進展推動了發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展，發(fā)酵工業(yè)的收率和純度都比過去有了極大的提高。目前世界最大的串聯(lián)發(fā)酵裝置已達75m＼許多公司對發(fā)酵工藝進行了調(diào)整，從而降低了生產(chǎn)成本。如ADM（ArcherDanie1sMid1and）和Cargill公司在20世紀90年代初對其發(fā)酵裝置進行改造，將以碳水化合物為原料的生產(chǎn)工藝改為以玉米粉為原料，從而降低了生產(chǎn)成本，ADM公司生產(chǎn)的賴氨酸成本比原先降低了一半。

1．3．2酶工程技術(shù)有了長足的進步

酶工程技術(shù)包括酶源開發(fā)、酶制劑生產(chǎn)、酶分離提純和固定化技術(shù)、酶反應(yīng)器與酶的應(yīng)用。目前世界酶制劑從酶源開發(fā)到酶的應(yīng)用都已進入了良性發(fā)展階段，各階段生產(chǎn)企業(yè)和用戶關(guān)系密切，合作廣泛。據(jù)報道，1998年全球工業(yè)酶制劑的銷售額為13億美元，預(yù)計到2010年將增長到30億美元，每年以6．5％的速率增長。其中食用酶占40％，洗滌用酶占33％，其它（主要是紡織、造紙和飼料等用酶）占27％。

1．3．3分離與純化技術(shù)也有很大進步

影響生化產(chǎn)品價格的因素，首當其沖的是分離與純化過程，其費用通常占生產(chǎn)成本的50％～70％，有的甚至高達90％。分離步驟多、耗時長，往往成為制約生產(chǎn)的“瓶頸”。尋求經(jīng)濟適用的分離純化技術(shù)，已成為生物化工領(lǐng)域的熱點。已大規(guī)模應(yīng)用的分離純化技術(shù)有：雙水相革取、新型電泳分離、大規(guī)模制備色譜、膜分離等。

1．3．4上游技術(shù)廣泛應(yīng)用于下游生產(chǎn)

利用基因工程技術(shù)，不但成倍地提高了酶的活力，而且還可以將生物酶基因克隆到微生物中，構(gòu)建基因菌產(chǎn)生酶。利用基因工程，使多種淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶、氨基酸合成途徑的關(guān)鍵酶得到改造、克隆，使酶的催化活性、穩(wěn)定性得到提高，氨基酸合成的代謝流得以拓寬，產(chǎn)量提高。隨著基因重組技術(shù)的發(fā)展，被稱為第二代基因工程的蛋白質(zhì)工程發(fā)展迅速，顯示出巨大潛力和光輝前景。利用蛋白質(zhì)工程，將可以生產(chǎn)具有特定氨基酸順序、高級結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和生理功能的新型蛋白質(zhì)，可以定向改造酶的性能，從而生產(chǎn)出新型生化產(chǎn)品。

1．3．5新技術(shù)在生物化工中也得到了極大的應(yīng)用

比如，在超臨界液體狀態(tài)下進行酶反應(yīng)，從而大大降低酶反應(yīng)過程的傳質(zhì)阻力，提高酶反應(yīng)速率。超臨界C02無毒、不可燃、化學情性、易與反應(yīng)底物分離。利用超臨界CO2取代有機溶劑進行酶反應(yīng)，具有極大的發(fā)展?jié)摿ΑＳ直热纾⒛z羹技術(shù)已被廣泛用于動物細胞的大規(guī)模培養(yǎng)、細胞和酶的固定化以及蛋白質(zhì)等物質(zhì)的分離方面。

2．世界生物化工行業(yè)的發(fā)展趨勢

2．1工業(yè)結(jié)構(gòu)

行業(yè)與行業(yè)間的劃分將日趨模糊，企業(yè)間的合作將加大。目前，許多從事醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源等方面生產(chǎn)的企業(yè)，正在從事生物化工生產(chǎn)。特別是某些從事傳統(tǒng)化工行業(yè)的生產(chǎn)廠家，也紛紛涉足生物化工領(lǐng)域。如杜邦公司，長期以來主要從事有機化工和聚合材料的生產(chǎn)，現(xiàn)在正加大生物化工的開發(fā)力度，已開發(fā)成功了生物法生產(chǎn)1,3-丙二醇工藝，并正在開發(fā)用改性大腸桿菌生產(chǎn)己二酸工藝。DSM公司以前主要從事抗菌素方面的生產(chǎn)，現(xiàn)也加大了生物化工的投資力度。

由于生物化工涉及面廣，許多生化公司都有自己的專長，它們之間為了商業(yè)利益的合作也非常活躍。此外，隨著從事傳統(tǒng)行業(yè)的生產(chǎn)廠家的加入，由于技術(shù)與生產(chǎn)方面的原因，它們與從事生物化工開發(fā)與生產(chǎn)的企業(yè)合作也很頻繁。所有這一切，都使生物化工行業(yè)的合作越來越廣泛。如杜邦公司與杰寧科樂公司合作開發(fā)用生物法生產(chǎn)1，）丙二醇，進一步生產(chǎn)PTT樹脂。荷蘭的Purac公司與美國Cagill公司合資建設(shè)年產(chǎn)3．4萬tL。乳酸裝置，并計劃進一步發(fā)展到6．8萬V入DSM公司與美國Maxygen公司簽定了三年的研究合同，以利用Maxygen的

DNA重排和分子培養(yǎng)技術(shù)，開發(fā)在7一ADCA和其它青霉素生產(chǎn)中使用的酶和菌種。

2．2產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

生物化工產(chǎn)品正向?qū)I(yè)化、高科技含量、高附加值方向發(fā)展。傳統(tǒng)的低價位產(chǎn)品受到冷落，而高價位產(chǎn)品如生化藥物、保健品、生化催化劑等則備受青睞。許多公司為了追求較高利潤，都將低附加值的產(chǎn)品剝離。如日本武田藥品工業(yè)公司不再生產(chǎn)味精，轉(zhuǎn)而生產(chǎn)其它高附加值的調(diào)味品如肌甘酸二鈉（IMP）和鳥甘酸二鈉（GwtP）。另外，生物化工將涉足它以前很少涉足的領(lǐng)域如高分子材料和表面活性劑等。

生化藥物由于附加值高而成為今后生物化工領(lǐng)域發(fā)展的重點。1997年生化藥物市場銷售額達130億美元，其中細胞分裂素80億美元，激素30億美元，其它20億美元；就具體藥物而論，促紅細胞生長素35億美元，人胰島素18億美元，粒性白細胞克隆刺激因子16億美元，人生長激素15億美元，小干擾素11億美元。預(yù)計今后其市場銷售額還將以8％的速率增長。

在氨基酸方面，雖然用于藥物合成氨基酸的量相對較小，但其發(fā)展?jié)摿艽蟆?jù)報道，500種主要藥物中，有18％含有氨基酸或其衍生物的合成。在藥物合成中，使用最廣泛的是L。脯氨酸、r苯甘氨酸和r對羥基苯甘氨酸。L。脯氨酸用于血管緊張素轉(zhuǎn)化酶（ACE）的合成，匹苯甘氨酸和r對羥基苯甘氨酸用于抗生素的合成。另外，多肽也是今后的發(fā)展重點之一。多肽是指有2以上氨基酸用肽鍵組成的化合物，在臨床上使用非常廣泛，主要用于治療癌癥、HIV病毒和兔疫系統(tǒng)功能減退、對傳統(tǒng)抗生素產(chǎn)生抗體的感染以及疫苗等。全球合成多肽原藥的產(chǎn)量在100kg左右，但銷售額達2．5億～3億美元，而做成制劑的銷售額則達25億～30億美元。多肽原藥需求量的年增長率在10％以上。

碳水化合物方面，用于臨床的碳水化合物受到人們越來越多的關(guān)注。但是，用于臨床的碳水化合物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如一對單糖，其不同的化學鍵就多達22種。因此，用化學法合成復(fù)雜的碳水化合物比較困難，難以實現(xiàn)工業(yè)化，而用酶法合成則是一條切實可行的途徑。

作為生化催化劑的酶，也將是今后發(fā)展的重點。1997年，生化用催化劑銷售額約1．3億美元，在過去的3～5年間，每年增長速率在8％～9％，預(yù)計在未來的3～5年間，將以同樣速度增長。生化催化劑主要用于手性藥物的合成。當前，手性藥物已成為國際新藥研究與開發(fā)的新方向之一。

1997年手性藥物制劑世界市場的銷售額為879億美元，占藥品市場的28．3％，到2000年將達到900億美元。在未來的25年內(nèi)，約有一半的手性藥物要通過生化催化合成，因此，生化催化劑無論從需求量和需求種類來看，都具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

生化表面活性劑由于具有無毒、生物降解性好等優(yōu)點，今后可能成為表面活性劑的升級換代產(chǎn)品，但目前還處于探索階段。

生物化工在高分子材料、特殊化學品、生物晶片、環(huán)保等方面也將有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2．3技術(shù)水平

不斷提高菌株活力、發(fā)酵水平、生化反應(yīng)過程、分離純化水平，依然是生物化工面臨的課題。

在菌種開發(fā)方面，由于從20世紀70年代以來從自然界中篩選菌種以獲得新的代謝產(chǎn)物的機會明顯減少，人們便考慮利用已知菌種經(jīng)適當改變其代謝特性后生產(chǎn)新的產(chǎn)品。如日本協(xié)和發(fā)酵公司已成功地把生產(chǎn)谷氨酸的菌種改為生產(chǎn)色氨酸。

在生化反應(yīng)器方面，反應(yīng)器放大一直是一個老大難的問題。因此，利用計算機技術(shù)對整個生化反應(yīng)過程進行數(shù)字化處理，從而優(yōu)化反應(yīng)過程，是今后的發(fā)展方向之一。

在分離純化方面，親和層析受到廣泛重視，并有人研制了一種綜合專家系統(tǒng)軟件包，可在幾分鐘內(nèi)告知對方被分離物系的分離方法和順序，以便根據(jù)產(chǎn)品所需進行取舍。

另外，在生化過程的在線檢測和控制方面，利用生物傳感器和計算機監(jiān)控，依然是今后的發(fā)展方向。

在酶催化反應(yīng)中將發(fā)展有機溶劑中的催化反應(yīng)。

生物上游技術(shù)的發(fā)展，將對生物化工產(chǎn)生深遠影響。人們對從病毒、細菌、植物、動物到人類基因組順序測定工作十分重視，并在此基礎(chǔ)上形成了基因許多產(chǎn)品一哄而上，盲目上馬，遍地開花，最終形成惡性競爭，許多企業(yè)破產(chǎn)倒閉。在競爭中生存下來的企業(yè)，也是元氣大傷，難以進一步組織技術(shù)改造。如僅江蘇省停產(chǎn)的發(fā)酵生產(chǎn)線就多達上百條。另外，行業(yè)內(nèi)企業(yè)間的生產(chǎn)水平相差懸殊，企業(yè)技術(shù)裝備水平達到20世紀80年代以后國際先進水平的僅占20％～30％，多數(shù)處于20世紀60～70年代水平。

二是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，品種單一，低檔次產(chǎn)品重復(fù)生產(chǎn)，不能適應(yīng)需求。在我國高檔的醫(yī)藥生化產(chǎn)品如激素、生長因子、干擾素、藥用多肽等，有的產(chǎn)量很小，有的沒有生產(chǎn)，因此每年都需進口。

三是在生產(chǎn)技術(shù)上，工藝、設(shè)備不配套，上下游技術(shù)不配套，產(chǎn)物的收得率低。我國雖然某些產(chǎn)品如檸檬酸、乳酸等發(fā)酵水平較高，但大多數(shù)產(chǎn)品的收率都低于國外，酶制劑的活力也明顯低于國外，生化反應(yīng)器和分離純化技術(shù)更是落后國外15～20年。每年都要花費大量資金從國外進口生物反應(yīng)器、細胞破碎機、分離純化設(shè)備及分離介質(zhì)、生物傳感器和計算機監(jiān)控設(shè)備。

四是有些產(chǎn)品投入產(chǎn)出比達15／＝以上，造成嚴重的資源浪費和環(huán)境污染。

五是基礎(chǔ)研究薄弱，技術(shù)創(chuàng)新能力不強，企業(yè)的技術(shù)開發(fā)、技術(shù)吸收能力差，生產(chǎn)發(fā)展多數(shù)依靠傳統(tǒng)的夕蜒型、粗放型擴大投資的增長模式，效益低、市場競爭力低。

3．2建議針對我國生物化工行業(yè)存在的問題，筆者有以下建議：

3．2．1擴大經(jīng)濟規(guī)模，提高競爭力要鼓勵建設(shè)大型的生物化工企業(yè)集團公司，使之集科研、開發(fā)、生產(chǎn)、銷售干一體。尤其要培育一批科技創(chuàng)新型企業(yè)。同時，也要鼓勵在某些方面有一定特色的小型技術(shù)創(chuàng)新型生化公司的發(fā)展，并淘汰一批生產(chǎn)規(guī)模小、生產(chǎn)技術(shù)落后、沒有市場競爭力的企業(yè)，從整體上優(yōu)化我國生物化工的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

3．2．2調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要發(fā)展高檔產(chǎn)品，如高檔醫(yī)藥生化產(chǎn)品、功能性食品及添加劑（主要有低熱值、低膽固醇、低脂肪、提高免疫功能、抗炎、抗癌等產(chǎn)品）、生化催化劑等。另外，也應(yīng)發(fā)展眾多精細化工產(chǎn)品及用化學法無法生產(chǎn)或很難生產(chǎn)的產(chǎn)品，如微生物多糖、生物色素、工業(yè)酶制劑、甜味劑、表面活性劑、高分子材料等。

3．2．3節(jié)約有限資源，強化環(huán)境保護在生化生產(chǎn)組學（genomics）。近年來又在信息學（informatics）的基礎(chǔ)上建立了生物信息學（bioinformatics）。信息學的內(nèi)容包括信息科學十生物技術(shù)十生物工程十生物動力學等的綜合信息系統(tǒng)。可以預(yù)見，基因組學和生物信息學在生物化工中應(yīng)用的商業(yè)前景極為可觀。

另外，其它行業(yè)的新技術(shù)如分子蒸餾技術(shù)、組合化學（combinatoricalchemistry）等，也將在生物化工中得到應(yīng)用。

3.我國生物化工的發(fā)層現(xiàn)狀及建議

3．1發(fā)展現(xiàn)狀

我國生物化工行業(yè)經(jīng)過長期發(fā)展，已有一定基礎(chǔ)。特別是改革開放以后，生物化工的發(fā)展進入了一個嶄新的階段。目前生物化工產(chǎn)品也涉及醫(yī)藥、保健、農(nóng)藥、食品與飼料、有機酸等各個方面。

在醫(yī)藥方面，抗生素得到迅猛發(fā)展61998年我國抗生素的產(chǎn)量達到33486h青霉素的產(chǎn)量居世界首位。其它生化藥物中，初步形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的有干擾素、白細胞介素。2、乙型肝炎工程疫苗。

在農(nóng)藥方面，生物農(nóng)藥品種達12種，主要有蘇云金桿菌、井崗霉素、赤霉素等。其中，井崗霉素的產(chǎn)量居世界第一位。

在食品與飼料方面，作為三大發(fā)酵制品的味精、檸檬酸、酶制劑的產(chǎn)量也有很大的增加／1998年味精產(chǎn)量從1990年的22．3萬、增加到56．4萬一檸檬酸產(chǎn)量從1990年的6．13萬、增加到56．4萬一酶制劑從1990年的8．5萬t增加到24萬t。酵母及淀粉糖的產(chǎn)量也有明顯增加。我國的味精生產(chǎn)和消費居世界第一，檸檬酸的生產(chǎn)和出口也居世界第一。另外，1998年乳酸的產(chǎn)量在1．5萬t左右，賴氨酸的產(chǎn)量在2萬t左右，卜蘋果酸的產(chǎn)量在6000t。

在有機酸方面，衣康酸的產(chǎn)量達5000乙我國開發(fā)的生物法長鏈二元酸工藝居世界領(lǐng)先地位，目前生產(chǎn)能力達500Va以上，并有數(shù)家企業(yè)有建設(shè)長鏈二元酸生產(chǎn)裝置的意向。

在保健品方面，我國已能用生物法生產(chǎn)多種氨基酸、維生素和核酸等。另外，我國生物法丙烯酞胺的生產(chǎn)能力達到2萬V山與日本同處于世界領(lǐng)先地位。

但是與發(fā)達國家相比，我國生物化工行業(yè)存在著許多問題：

一是我國的生物化工產(chǎn)業(yè)主要以醫(yī)藥、輕工、食品業(yè)為主。部分企業(yè)對生物化工產(chǎn)品大都是精細化工產(chǎn)品這一點了解不夠，加之行業(yè)規(guī)范也不夠，導致過程中，應(yīng)選擇合適的原料，以降低成本與消耗，并加強廢物處理，減少環(huán)境污染。

3．2．4提高生產(chǎn)技術(shù)水平，特別是下游技術(shù)水平因為我國生物技術(shù)上游技術(shù)水平與國外相差僅3～5年，而下游技術(shù)水平則比國外相差15年以上，改造傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)，不斷提高發(fā)酵法產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)水平，開發(fā)生物反應(yīng)器，提高我國生物化工產(chǎn)品分離和提純技術(shù)，大規(guī)模開發(fā)生物化工裝備等應(yīng)首先提上議事日程。另外，還應(yīng)積極采用微生物法代替化學法，開發(fā)基礎(chǔ)化工新產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。

3．2．5加強產(chǎn)學研結(jié)合，注重上下游結(jié)合國內(nèi)生物化工技術(shù)力量分散，為了做到優(yōu)勢互補，應(yīng)加強產(chǎn)學研結(jié)合。另外在生物化工生產(chǎn)過程中遇到的很多問題，都是由于上、下游結(jié)合不夠緊密而影響技術(shù)經(jīng)濟指標。因此，在人力和財力的投入上，應(yīng)考慮上下游結(jié)合，以加快生物化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。