蘇志國(guó)

（中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

2020 年9 月2 日，麻省理工學(xué)院（MIT）發(fā)布訃告，生物化學(xué)工程先驅(qū)、MIT 的學(xué)院教授（Institute Professor）王義翹（Daniel I.C.Wang）先生離世，終年84歲。MIT在訃告中，特地提到了王義翹先生創(chuàng)建MIT 生物技術(shù)過(guò)程工程中心（Biotechnology Process Engineering Center，BPEC）這一重大貢獻(xiàn)，因?yàn)锽PEC 的創(chuàng)建、運(yùn)行和成功凝聚著王義翹先生的智慧、心血和成果，是一座在美國(guó)乃至世界生物技術(shù)發(fā)展中有重大影響的歷史豐碑［1］。

我于1990—1992 年在MIT BPEC 作訪問(wèn)學(xué)者，親身體驗(yàn)到王義翹先生的遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)、敢為人先的精神理念、廣闊深厚的專業(yè)功底，以及他領(lǐng)導(dǎo)下BPEC 的尖端研究、協(xié)同創(chuàng)新、濃厚氛圍與合作機(jī)遇，受益匪淺，并給予我后面的科研生涯和擔(dān)任國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任工作以重大的影響。值此紀(jì)念王義翹先生之際，我從自己的視角記敘和評(píng)論BPEC 的歷史背景、突出貢獻(xiàn)、創(chuàng)新機(jī)制和產(chǎn)生的影響，希望能讓同行更多了解王先生的巨大貢獻(xiàn)，汲取其中有參考價(jià)值的內(nèi)涵。

1 引領(lǐng)生物化學(xué)工程進(jìn)入生物制藥新時(shí)代

生物化學(xué)工程（簡(jiǎn)稱生化工程）學(xué)科起源于20 世紀(jì)60 年代，最初的側(cè)重點(diǎn)是將化學(xué)工程技術(shù)應(yīng)用于抗生素、食品和生物基化學(xué)品的發(fā)酵生產(chǎn)。隨著70～80 年代化石資源緊缺現(xiàn)象的出現(xiàn)，采用微生物和酶催化轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素等可再生資源為生物燃料成為生化工程研究的熱點(diǎn)。一些高校和科研單位相繼建立了生物質(zhì)轉(zhuǎn)化研究中心，例如美國(guó)普渡大學(xué)在1978 年就建立了著名的可再生資源工程實(shí)驗(yàn)室（LORRE），對(duì)農(nóng)作物廢棄物如秸稈纖維素轉(zhuǎn)化為清潔能源開展了系統(tǒng)的研究。

但與此同時(shí)，生物領(lǐng)域基因工程的發(fā)展日新月異，一大批以前只能靠從天然組織或細(xì)胞中提取的生物大分子藥物如疫苗抗原、蛋白質(zhì)、細(xì)胞因子、多肽、核酸等，可以通過(guò)基因工程改造動(dòng)物、植物和微生物細(xì)胞，然后通過(guò)大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)獲得，從而開辟了生物制藥的新時(shí)代。很遺憾的是這一令人振奮的領(lǐng)域最初卻沒(méi)有工程科學(xué)家的參與。例如，由生物學(xué)家和投資人興辦的一些生物高技術(shù)公司采用的動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)方法是一個(gè)個(gè)裝有細(xì)胞和培養(yǎng)液的瓶子，即所謂的“滾瓶”，其材料、設(shè)備和人工成本非常高，生產(chǎn)效率低下，還容易受到污染，批次重復(fù)性和產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。

當(dāng)時(shí)，王義翹先生作為著名的生化工程教授，已經(jīng)在微生物發(fā)酵領(lǐng)域取得了令人矚目的成果，但他敏銳地感覺(jué)到，用基因工程方法生產(chǎn)生物大分子藥物必須解決一系列前所未有的工程科學(xué)問(wèn)題，這正是生化工程的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在他的積極申請(qǐng)和推動(dòng)下，美國(guó)國(guó)家基金會(huì)（NSF）1985 年批準(zhǔn)了麻省理工學(xué)院建立BPEC，成為世界上第1個(gè)由國(guó)家基金會(huì)資助的生化工程研究平臺(tái)［2］。

相比當(dāng)時(shí)生化工程的主流觀念，BPEC 的設(shè)計(jì)思想有很大的轉(zhuǎn)變。如前所述，20 世紀(jì)80 年代初的生化工程是化學(xué)工程的一部分，其主流是通過(guò)微生物和酶催化的方法，利用可再生的資源來(lái)生產(chǎn)能源和化學(xué)品，解決石油煤炭日益緊張帶來(lái)的巨大資源壓力。但是，BPEC 瞄準(zhǔn)的主要是生物大分子，進(jìn)入的是生物制藥領(lǐng)域，在很多化工學(xué)者看來(lái)多少有些意外，甚至認(rèn)為名不正言不順。另一方面，生物領(lǐng)域的很多專家也持懷疑態(tài)度，他們認(rèn)為化學(xué)工程師不懂生物，不懂生物制藥，不適合加入基因工程藥物的研發(fā)大軍。對(duì)此，王義翹先生領(lǐng)導(dǎo)BPEC，用一系列的重大發(fā)現(xiàn)和發(fā)明論證了生化工程在基因工程藥物開發(fā)中的重大作用，確立了生化工程在生物技術(shù)中獨(dú)特的地位，即不僅研究化學(xué)產(chǎn)品的制造，還要研究包括蛋白質(zhì)這樣復(fù)雜生物藥品的制造，而且其貢獻(xiàn)不可替代。

2 開啟動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)工程的研究

筆者開始在MIT 作訪問(wèn)學(xué)者的時(shí)候，BPEC 已經(jīng)運(yùn)行5年，渡過(guò)了最困難的起步階段，多項(xiàng)研究已經(jīng)取得了重要進(jìn)展，其中令我印象最深刻的是動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)工程。

對(duì)當(dāng)時(shí)大多數(shù)生化工程研究者來(lái)說(shuō)，動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)似乎遙不可及，因?yàn)閯?dòng)物細(xì)胞比微生物細(xì)胞復(fù)雜，需要更多的細(xì)胞生物學(xué)知識(shí)。動(dòng)物細(xì)胞株的獲得也比微生物菌株困難，特別是基因克隆表達(dá)方面還有大量未知的因素，技術(shù)上也遠(yuǎn)不成熟。還有一個(gè)非常重要的問(wèn)題是，動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)需要昂貴的設(shè)備、材料、營(yíng)養(yǎng)（培養(yǎng)基）和環(huán)境，工程科學(xué)研究需要進(jìn)行規(guī)模放大，需要的硬件和材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)細(xì)胞生物學(xué)研究的尺度和數(shù)量，沒(méi)有經(jīng)費(fèi)上的重大投入幾乎是不可能的。相比之下，研究基因工程微生物細(xì)胞的培養(yǎng)已具有很好的條件，并且工業(yè)部門也在開發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品，有比較多的合作意向和需要解決的問(wèn)題。除此之外，還有人推測(cè)微生物細(xì)胞由于各種培養(yǎng)上的優(yōu)點(diǎn)可以取代動(dòng)物細(xì)胞作為基因工程產(chǎn)品的生產(chǎn)載體，沒(méi)有必要去研究成本非常高的動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)工程。

我第一次拜會(huì)王義翹先生的時(shí)候，就問(wèn)了他上面提到的問(wèn)題。他回答說(shuō)：你說(shuō)的確實(shí)是當(dāng)今大多數(shù)生化工程研究者的觀點(diǎn)；但是作為一名學(xué)者，不能光看現(xiàn)在，要看長(zhǎng)遠(yuǎn)。動(dòng)物細(xì)胞雖然相比微生物細(xì)胞培養(yǎng)更為困難，但大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的蛋白質(zhì)難以用大腸桿菌通過(guò)基因工程表達(dá)，只有通過(guò)動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)才能成功。例如，促紅細(xì)胞生成素只有用動(dòng)物細(xì)胞才能做出具有生物活性的產(chǎn)品。但是動(dòng)物細(xì)胞的大規(guī)模生產(chǎn)必須由化學(xué)工程師設(shè)計(jì)才能完成，因?yàn)檫@其中涉及更為復(fù)雜的反應(yīng)控制，是前所未有的挑戰(zhàn)，用生物反應(yīng)器取代滾瓶將是激動(dòng)人心和令人鼓舞的研究領(lǐng)域。關(guān)于經(jīng)費(fèi)問(wèn)題，BPEC 除了從NSF獲得資助外，很大部分的研究經(jīng)費(fèi)來(lái)源于制藥公司和生物技術(shù)企業(yè)，因?yàn)樗麄兏杏X(jué)到了動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的重要和面臨的難題，需要化學(xué)工程師的加入。所以，BPEC 現(xiàn)在需要的是人才、強(qiáng)有力的團(tuán)隊(duì)和科學(xué)與技術(shù)上的創(chuàng)新，拿出扎扎實(shí)實(shí)的動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)工程研究的結(jié)果。

王先生在幾次接待我國(guó)訪問(wèn)團(tuán)和學(xué)者的時(shí)候都談了上述觀點(diǎn)，令我印象深刻。將動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)工程作為工程中心研究的重點(diǎn)，通過(guò)生物、化學(xué)和工程學(xué)的交叉、融合進(jìn)行創(chuàng)新，是BPEC 的亮點(diǎn)和成功之處。表1列出了王義翹先生指導(dǎo)的有關(guān)動(dòng)物細(xì)胞規(guī)?；囵B(yǎng)工程的幾篇有代表性的研究生學(xué)位論文或發(fā)表的文章。

表1 王義翹先生指導(dǎo)的有關(guān)動(dòng)物細(xì)胞規(guī)?；囵B(yǎng)工程有代表性的研究Tab.1 Representative research on large-scale culture of animal cells under guidance of Prof.Wang

這些研究設(shè)計(jì)精心，銜接緊密，框架清晰，可以歸納為3個(gè)主要方面：

（1）將化學(xué)工程的研究方法和理念應(yīng)用于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)中的流體力學(xué)分析，由此確定剪切環(huán)境對(duì)于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的作用和影響。其中胡維碩（Hu W.S.）的論文第1次對(duì)貼壁動(dòng)物細(xì)胞在生物反應(yīng)器中所受的傳質(zhì)影響和液相剪切影響進(jìn)行了分析［3］，闡述了在大規(guī)模培養(yǎng)中動(dòng)物細(xì)胞出現(xiàn)死亡問(wèn)題的原因。而邱紫文（Chiou T.W.）［4］的論文則從細(xì)胞固定化反應(yīng)器設(shè)計(jì)著手，通過(guò)纖維床的設(shè)計(jì)，使得貼壁動(dòng)物細(xì)胞有效地與纖維進(jìn)行接觸，依附于纖維來(lái)保護(hù)自己免于液相剪切力的傷害，解決了以往貼壁細(xì)胞在反應(yīng)器中失活的難題。

（2）將化學(xué)計(jì)量學(xué)的思維和概念應(yīng)用于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)中營(yíng)養(yǎng)成分的設(shè)計(jì)，將培養(yǎng)基組成與最終細(xì)胞組分和代謝產(chǎn)物的關(guān)聯(lián)分析，成功建立了動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中化學(xué)計(jì)量學(xué)方法的理念和方法。這項(xiàng)研究對(duì)后來(lái)無(wú)血清培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，而無(wú)血清培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)是近年來(lái)動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的一次革命。這項(xiàng)研究主要由謝良志（Xie L.Z.）完成［5］。他從細(xì)胞培養(yǎng)代謝的過(guò)程出發(fā)，設(shè)計(jì)了類似于微生物次生代謝產(chǎn)物控制的分批補(bǔ)料培養(yǎng)方法，將動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器控制提高到代謝工程的水平［6］，為生物技術(shù)工業(yè)部門進(jìn)行動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程控制補(bǔ)料策略奠定了基礎(chǔ)。

（3）將過(guò)程科學(xué)中的動(dòng)態(tài)分析方法應(yīng)用于反應(yīng)器中的動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)，獲得了蛋白質(zhì)翻譯后修飾隨時(shí)間變化的規(guī)律。與以往實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞的器皿不同，在生物反應(yīng)器內(nèi)，細(xì)胞受到各種剪切和營(yíng)養(yǎng)限制，會(huì)導(dǎo)致部分細(xì)胞發(fā)生突變，產(chǎn)生糖基化不均一的蛋白質(zhì)產(chǎn)物。王先生的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)糖基化受三羧酸循環(huán)活性（TCA cycle activity）的影響，但不受糖酵解（glycosis）的影響，控制核苷酸糖的濃度是獲得均一糖基化的關(guān)鍵。這項(xiàng)研究是王先生指導(dǎo)博士生Nyberg G.完成的［7］。他們通過(guò)智能化動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)控制策略和優(yōu)化的反應(yīng)器設(shè)計(jì)，將核苷酸糖（nucleotide sugar）濃度控制在優(yōu)化的水平上，有效避免或減少目標(biāo)蛋白質(zhì)的損失。

從以上3個(gè)方面可以看出王先生獨(dú)具匠心的設(shè)計(jì)。雖然細(xì)胞生物學(xué)家已經(jīng)做了大量動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的研究，但卻缺少規(guī)?；瘲l件下和動(dòng)態(tài)條件下的探索。動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)需要生物反應(yīng)器，而反應(yīng)器不同于培養(yǎng)皿和滾瓶，存在著時(shí)空多尺度效應(yīng)。王先生帶領(lǐng)BPEC 從反應(yīng)器流體力學(xué)分析開始，進(jìn)入規(guī)模化反應(yīng)器的理性設(shè)計(jì)；從培養(yǎng)基組分與細(xì)胞組成和代謝的對(duì)應(yīng)分析，進(jìn)入微觀結(jié)構(gòu)規(guī)律的考察；從環(huán)境變化的作用進(jìn)入到基因和代謝層次的影響，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致糖基化不均勻的影響因素。整個(gè)研究框架實(shí)現(xiàn)了從基因到產(chǎn)品整個(gè)過(guò)程的系統(tǒng)化，構(gòu)建了動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)工程的理論研究和技術(shù)開發(fā)的平臺(tái)。

圖1是王先生指導(dǎo)邱紫文在1990年設(shè)計(jì)的動(dòng)物細(xì)胞纖維床反應(yīng)器［4］。從中可以看出，設(shè)計(jì)者充分利用氣升環(huán)流生物反應(yīng)器的構(gòu)思，將反應(yīng)器分為兩個(gè)區(qū)域：中心提升管為供氧區(qū)，這里可以通過(guò)氣體噴嘴的設(shè)計(jì)提升液體流動(dòng)并向液體供氧；反應(yīng)器的環(huán)隙為細(xì)胞生長(zhǎng)區(qū)，這里動(dòng)物細(xì)胞固定在有機(jī)纖維上，避免直接通入氣泡造成的損傷，同時(shí)又能從向下流動(dòng)的培養(yǎng)液中獲得溶解氧。這項(xiàng)研究得到很多生物技術(shù)公司的重視，也得到了生物反應(yīng)器制造廠家的重視。在纖維床的基礎(chǔ)上，各種新型的固定化動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器得到了迅速的發(fā)展。

圖1 王義翹先生指導(dǎo)研究生設(shè)計(jì)的培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞的纖維床反應(yīng)器Fig.1 Fiber bed bioreactor for animal cell culture that was designed by Prof.Daniel Wang and his students

多年以后，動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)已經(jīng)取代了基因工程微生物菌體培養(yǎng)的地位，成為生物制藥工程界最重要的方向和創(chuàng)新主流，特別是用中國(guó)倉(cāng)鼠卵（CHO）細(xì)胞生產(chǎn)的多個(gè)單克隆抗體藥物，銷售額已經(jīng)全面超過(guò)化學(xué)藥物，進(jìn)入全球藥物市場(chǎng)的前列。動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)從最初的滾瓶、微球載體培養(yǎng)，發(fā)展到流加、灌注培養(yǎng)，從有載體培養(yǎng)發(fā)展到無(wú)載體懸浮培養(yǎng)，再到各種一次性反應(yīng)袋培養(yǎng)和膜分離耦合培養(yǎng)，成為生化工程最活躍的研發(fā)領(lǐng)域［8］。而這一切進(jìn)展的科學(xué)基礎(chǔ)，離不開BPEC 在20 世紀(jì)90 年代到本世紀(jì)初開發(fā)的一系列動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)工程和理論，例如反應(yīng)器內(nèi)剪切力對(duì)動(dòng)物細(xì)胞的作用，動(dòng)物細(xì)胞在反應(yīng)器內(nèi)的代謝，培養(yǎng)基組分的動(dòng)態(tài)需求與供給，時(shí)空條件下基因表達(dá)與糖基化的規(guī)律等。

3 激發(fā)生物大分子分離純化工程的創(chuàng)新思維

生物化學(xué)工程最明顯的特點(diǎn)之一是主要研究對(duì)象為超大的生物分子如各種酶、蛋白質(zhì)藥物、核酸藥物、疫苗等。采用基因工程，細(xì)胞工程以及近年來(lái)的合成生物學(xué)工程等手段，已經(jīng)能夠在各種細(xì)胞或組織中表達(dá)生產(chǎn)這些生物大分子。但是從細(xì)胞和組織培養(yǎng)液中獲得純凈的生物大分子需要進(jìn)行一系列的分離純化，去除各種各樣的雜質(zhì)，包括雜蛋白、宿主核酸、脂多糖（熱原）以及其他容易引起免疫反應(yīng)或副作用的組分。特別是用于醫(yī)藥工程的疫苗、抗體、細(xì)胞因子等，對(duì)安全性的要求極高，必須達(dá)到高純度高活性。因此分離純化的成本常常占整個(gè)生物大分子生產(chǎn)成本的70%～90%。

在化學(xué)工程中，分離工程被認(rèn)為是最重要也是研究最多的領(lǐng)域之一。但是對(duì)于生物大分子來(lái)說(shuō)，其空間或三維立體結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變化，導(dǎo)致生物活性的喪失。因此，加熱精餾、有機(jī)溶劑萃取、蒸發(fā)結(jié)晶這類化工中常用的分離手段在大分子生物化工中幾乎無(wú)法應(yīng)用，但各種尺度的過(guò)濾（膜分離）、色譜分離（蛋白質(zhì)色譜）卻大量使用。同時(shí)，還需要一些新的單元操作，如細(xì)胞破碎、蛋白質(zhì)折疊、蛋白質(zhì)修飾與組裝等，但是這些生物工業(yè)操作最初是從生物化學(xué)家建立的實(shí)驗(yàn)室方法直接拓展的，并沒(méi)有上升到工程科學(xué)的水平。

王義翹先生是生化分離工程的開拓者之一。他很早就研究過(guò)用化工中泡沫浮選的方法從微生物發(fā)酵液中分離蛋白質(zhì)［9］。建立BPEC 以后，他積極主張將生化分離工程作為動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)工程以外的另一個(gè)主攻方向，其中一個(gè)側(cè)重點(diǎn)就是蛋白質(zhì)的重新折疊（refolding）。這實(shí)際上也與生物產(chǎn)業(yè)的需求密切相關(guān)，因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)除了動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)基因工程產(chǎn)品以外，用大腸桿菌表達(dá)基因工程蛋白質(zhì)生產(chǎn)細(xì)胞因子正如火如荼地展開。但是大腸桿菌系統(tǒng)一個(gè)致命缺點(diǎn)是目標(biāo)蛋白質(zhì)很容易聚集在一起形成一種被稱為包涵體（inclusion body）的無(wú)活性顆粒。而要獲得有活性的蛋白質(zhì)，必須用變性劑對(duì)包涵體進(jìn)行溶解，再通過(guò)各種手段去除變性劑，讓蛋白質(zhì)重新折疊成有活性的三維結(jié)構(gòu)形式。但重新折疊的過(guò)程常常形成錯(cuò)誤折疊和絮凝體沉淀，使得活性蛋白質(zhì)的收率大大下降，而這其中的規(guī)律尚不知曉。

王先生指導(dǎo)研究生Cleland 進(jìn)行蛋白質(zhì)折疊規(guī)律的研究。他們很聰明地選擇了牛碳酸酐酶作為研究對(duì)象，因?yàn)檫@個(gè)酶沒(méi)有二硫鍵，省略了二硫鍵存在下進(jìn)行折疊引起的麻煩，從而有利于探索蛋白質(zhì)折疊恢復(fù)活性的動(dòng)力學(xué)。與生物學(xué)家的探索不同，他們采用了化學(xué)動(dòng)力學(xué)的方法探索在折疊產(chǎn)物形成的路途中存在的各種中間體［I］，如圖2 所示。其中［I1］、［I2］、［I3］代表不同的中間體。這些中間體不穩(wěn)定，可能變成錯(cuò)誤折疊，而錯(cuò)誤折疊和中間體也容易聚集。聚集體增多到一定階段溶液出現(xiàn)渾濁，生成蛋白質(zhì)絮凝物發(fā)生沉淀，是折疊失敗的主要原因。因此，他們提出了穩(wěn)定中間體、避免錯(cuò)誤折疊和聚集體產(chǎn)生的策略。其中的一個(gè)發(fā)明就是用聚乙二醇作為保護(hù)劑。他們發(fā)現(xiàn)，聚乙二醇分子能夠與碳酸酐酶折疊過(guò)程中的中間體形成相互作用，導(dǎo)致中間體被穩(wěn)定。這種穩(wěn)定作用與聚乙二醇的濃度和分子量相關(guān)。在有鹽酸胍變性劑存在的條件下，低濃度的聚乙二醇可以有效減少聚集體的形成。采用聚乙二醇為保護(hù)劑，他們不僅成功折疊了碳酸酐酶，還成功折疊了核糖核酸酶RNase，組織纖溶酶原激活劑tPA和γ-干擾素［10］。

圖2 蛋白質(zhì)折疊過(guò)程機(jī)理：中間產(chǎn)物的存在及其形成錯(cuò)誤折疊和聚集的可能Fig.2 Process mechanism of protein refolding:formation of intermediates and possibility of misfolding and aggregation

這項(xiàng)創(chuàng)新成果發(fā)表在Nature Biotechnology上［11］。由于這個(gè)期刊的讀者有很多生物學(xué)家和基因工程學(xué)家，亦有很多生物技術(shù)公司的研究人員，所以產(chǎn)生了非同一般的影響。蛋白質(zhì)折疊在歷史上是生物化學(xué)家的研究領(lǐng)域，生物技術(shù)企業(yè)遇到包涵體蛋白質(zhì)折疊的難題時(shí)習(xí)慣上也是找生物化學(xué)家來(lái)解決。但是工業(yè)大生產(chǎn)的條件與實(shí)驗(yàn)室的容器操作差距很大，如何控制好局部蛋白質(zhì)和變性劑的濃度至關(guān)重要，化學(xué)工程師則擅長(zhǎng)處理這方面的難題，而MIT 建立的聚乙二醇輔助蛋白質(zhì)折疊的策略更適合大規(guī)模操作。因此，各種輔助蛋白質(zhì)折疊的人工“伴侶”（保護(hù)劑）隨后被生化工程師挖掘和開發(fā)，應(yīng)用于包涵體蛋白質(zhì)的折疊復(fù)性，解決了多種基因工程蛋白質(zhì)的制備難題，并將蛋白質(zhì)折疊復(fù)性發(fā)展成為生物化工的一項(xiàng)獨(dú)特的單元操作［12-13］。

4 建立協(xié)同創(chuàng)新體系，推動(dòng)生化工程成果轉(zhuǎn)化和人才培養(yǎng)

4.1 BPEC是麻省理工學(xué)院教授合作創(chuàng)新的平臺(tái)

BPEC 能取得成功，與王義翹先生積極倡導(dǎo)的協(xié)同創(chuàng)新精神密切相關(guān)。在他的組織下，BPEC 匯聚了MIT 一批杰出科學(xué)家，例如：生物醫(yī)學(xué)工程專家、血液透析膜理論奠基人Clark K.Colton，代謝工程專家、在合成生物學(xué)領(lǐng)域做出重大貢獻(xiàn)的Gregory Stephanopoulos，工業(yè)微生物學(xué)先驅(qū)、青霉素和頭孢菌素生物合成途徑的發(fā)現(xiàn)者Arnold Demain，蛋白質(zhì)學(xué)專家、NIH MERIT 獎(jiǎng)獲得者Jonathan King，分離基因的發(fā)現(xiàn)者、1993年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者Philip Sharp 等。雖然他們都有各自的研究方向，但通過(guò)BPEC 平臺(tái)使他們得以關(guān)注生化工程，結(jié)合各自的強(qiáng)項(xiàng)，開展協(xié)同創(chuàng)新，使MIT 的生命科學(xué)和生物技術(shù)研究領(lǐng)先于同行，極大推動(dòng)了美國(guó)生物制藥工程科學(xué)的迅猛發(fā)展。

王先生以身作則，積極與BPEC 的教授們合作，例如與電化學(xué)專家Alan Grodzinsky 教授合作將電化學(xué)方法第一次應(yīng)用于動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)中［14］，與生物系蛋白質(zhì)專家Jonathan King 教授合作闡述蛋白質(zhì)聚集體的形成機(jī)制［15］，與代謝工程專家Gregory Stephanopoulos 教授合作研究動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程代謝通路變化的規(guī)律等［16］。

這里介紹一個(gè)具體的合作實(shí)例。前面提到的蛋白質(zhì)折疊復(fù)性研究取得了重大進(jìn)展，其中就包括了王先生與BPEC 其他教授的合作。一個(gè)典型的例子是對(duì)于有二硫鍵蛋白質(zhì)的體外折疊，采用Cleland 的PEG 保護(hù)法難以解決二硫鍵錯(cuò)配造成的失敗。對(duì)此，王義翹先生與膠體化工專家Alan Hatton 教授合作，發(fā)明了一個(gè)新的蛋白質(zhì)折疊過(guò)程——反膠團(tuán)折疊［17］，如圖3所示。

該過(guò)程使用化工萃取中的反膠團(tuán)（reversed micelles）體系裝載變性的蛋白質(zhì)，讓變性的蛋白質(zhì)分子通過(guò)膠團(tuán)彼此分離，獨(dú)立地重新折疊。這些反膠團(tuán)是由表面活性劑AOT 穩(wěn)定的水相液滴，懸浮在異辛烷中。通過(guò)調(diào)整條件，使每個(gè)反膠團(tuán)只裝載一個(gè)蛋白質(zhì)分子，而不會(huì)與其他蛋白質(zhì)發(fā)生作用而產(chǎn)生聚集。以牛胰核糖核酸酶A（RNase A）為模型體系，驗(yàn)證該創(chuàng)新思維的可行性。結(jié)果表明，變性的RNase A可以從含有鹽酸胍的緩沖溶液中轉(zhuǎn)移到反膠團(tuán)中（圖3 第1 個(gè)箭頭），實(shí)現(xiàn)膠團(tuán)溶液對(duì)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定包裹。然后，通過(guò)與不含變性劑的水溶液接觸，反膠束中的變性劑濃度降低，變性的蛋白質(zhì)開始進(jìn)行自我折疊（圖3 第2 個(gè)箭頭），但仍然保留在膠團(tuán)中。經(jīng)過(guò)24 h，反膠團(tuán)中的蛋白質(zhì)全部折疊為與天然酶相近的三維結(jié)構(gòu)，加入谷胱甘肽還原和氧化試劑，分子內(nèi)部重新形成了二硫鍵，恢復(fù)了天然的生物活性。此時(shí)通過(guò)將反膠團(tuán)與1.0 mol/L KCI 水溶液接觸，恢復(fù)了天然生物活性的RNase A就從反膠團(tuán)進(jìn)入到水溶液中（圖3第3個(gè)箭頭），完成了整個(gè)折疊的單元操作。

圖3 反膠團(tuán)折疊蛋白質(zhì)的過(guò)程設(shè)計(jì)Fig.3 Process design of protein refolding in a reversed micelle

反膠團(tuán)折疊變性的蛋白質(zhì)是BPEC 在生物大分子分離純化工程領(lǐng)域又一個(gè)創(chuàng)新。雖然由于蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)之間、表面活性劑和蛋白質(zhì)之間的作用導(dǎo)致折疊過(guò)程收率低等原因［2］，這項(xiàng)創(chuàng)新迄今為止還沒(méi)有被生物工業(yè)采用，但它基于折疊過(guò)程動(dòng)力學(xué)建立的隔離每個(gè)蛋白質(zhì)分子、避免多個(gè)蛋白質(zhì)彼此接觸發(fā)生分子間二硫鍵聚集的巧妙思維一直影響著生化分離科學(xué)和技術(shù)的研究。

4.2 BPEC 與生物技術(shù)企業(yè)的緊密合作促進(jìn)成果轉(zhuǎn)化

王義翹先生非常重視與生物技術(shù)企業(yè)開展緊密的合作，將這種合作作為BPEC 發(fā)展的特色之一。經(jīng)常有來(lái)自生物技術(shù)公司如Genentech、Amgen、Biogen、Sepracor、Genzyme 的專家到BPEC 考察并做學(xué)術(shù)交流。很多BPEC 教授也是這些合作公司的顧問(wèn)或參與人。例如，王先生本人就是Biogen 公司科學(xué)委員會(huì)的起始成員（original member），對(duì)該公司成功生產(chǎn)復(fù)雜生物藥起了重要作用，該公司已成為美國(guó)最著名的生物制藥公司之一。BPEC 的生化工程基礎(chǔ)研究也得到各大生物技術(shù)公司的認(rèn)可和積極支持，他們將工業(yè)化遇到的難點(diǎn)和困難進(jìn)行反饋，BPEC 從中提取關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究，不僅使成果得到了應(yīng)用，而且使學(xué)術(shù)探索與生物技術(shù)工業(yè)的前沿緊密結(jié)合。

我在BPEC 的課題就是一項(xiàng)與工業(yè)部門緊密結(jié)合的研究。這項(xiàng)研究是關(guān)于親和膜的特性，是膜分離向生物吸附分離的發(fā)展，其創(chuàng)新的思路是在膜表面偶聯(lián)上親和配基，用于選擇性吸附溶液中的生物大分子。這項(xiàng)研究是與Sepracor 公司合作開展的。Sepracor 公司正在投資生產(chǎn)親和膜，希望將這一新技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用到工業(yè)部門，急需解決親和膜相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題，包括分離機(jī)理、控制因素、過(guò)程模型和自動(dòng)化控制等。Colton 教授是我的直接領(lǐng)導(dǎo)者，他獲得了NSF 對(duì)這項(xiàng)研究的資助，并且充分信任我，給我配置研究助手，先后有來(lái)自德國(guó)的研究生Gregor Daun［18］、來(lái)自法國(guó)的博士后Catherine Charcosset［19］和來(lái)自印度并剛剛獲得美國(guó)西北大學(xué)博士學(xué)位的Sujatha Karoor［20］與我一起工作。我還多次到Sepracor 公司，利用那里的設(shè)施和條件開展實(shí)驗(yàn)，并與那里的科研人員進(jìn)行交流。

我們的研究取得了一系列的新發(fā)現(xiàn)和新發(fā)展：以Protein A 作為配基成功實(shí)現(xiàn)對(duì)稀溶液中單抗的捕捉，吸附效率遠(yuǎn)超過(guò)親和色譜；第一次考察和表征了中空纖維微孔膜偶聯(lián)Protein A 前后的結(jié)構(gòu)變化和配基分布，采用透過(guò)曲線分析法建立吸附模型并用貝塞爾函數(shù)解析了模型的偏微分方程，得到了理論透過(guò)曲線［21］。圖4 是我們當(dāng)時(shí)提出的親和膜分離的概念，其原理是微孔膜作為載體的親和吸附，和親和色譜一樣包括進(jìn)料、淋洗、洗脫和再生。親和膜作為膜分離科學(xué)的研究對(duì)象，20 多年來(lái)已經(jīng)取得了許多重要進(jìn)展，例如其快速吸附的性能已經(jīng)在生物體液選擇性清除有害物質(zhì)中獲得了應(yīng)用［22］。

2.1.1 地徑 地徑是苗木距地面一定距離處的直徑，地徑可以反映牡丹莖桿粗壯狀況[6]。從圖1可以看出，4種立體栽培模式下油用牡丹地徑2016年均高于2015年，其中油用牡丹單一種植模式增長(zhǎng)的幅度最高，油用牡丹-核桃套種的次之，油用牡丹-碧桃套種增長(zhǎng)幅度最低，這可能與樹種遮陰，光照不足有關(guān)。

圖4 親和膜吸附分離蛋白質(zhì)基本原理和操作Fig.4 Principle and operation of affinity membrane for adsorption separation of proteins

我在BPEC 報(bào)告親和膜研究進(jìn)展時(shí)候得到王義翹先生的好評(píng)。他提出了幾個(gè)很好的建議，例如與親和色譜作比較要注意濃度的選擇，在建立模型的時(shí)候要考慮微孔膜的不均勻性，要重視親和膜中膜污染的預(yù)防等。他還向Charles Cooney 教授推薦我參加了BPEC 組織的生物技術(shù)下游工藝（Downstream Processing）課程的助教工作，使我有機(jī)會(huì)與擔(dān)任授課人的國(guó)際知名蛋白質(zhì)分離純化專家聯(lián)系和交流，并結(jié)識(shí)了前來(lái)聽(tīng)課的美國(guó)生物技術(shù)企業(yè)的一些研發(fā)人員，從中學(xué)習(xí)到很多生物技術(shù)工業(yè)生產(chǎn)方面的知識(shí)。值得說(shuō)明的是，下游工藝課程的設(shè)立也是王義翹先生加強(qiáng)與生物技術(shù)企業(yè)合作的一個(gè)舉措，他是該系列課程的策劃人之一，并擔(dān)任破碎細(xì)胞和蛋白質(zhì)折疊復(fù)性課程的主講。

4.3 BPEC是世界生化工程杰出人才培養(yǎng)的基地

20 世紀(jì)80～90 年代是生化工程迅速崛起的時(shí)期。王義翹先生創(chuàng)建生物技術(shù)過(guò)程工程中心，在生物小分子研究的基礎(chǔ)上拓展到生物大分子制藥工程，吸引了大量青年人才到BPEC 攻讀研究生，也吸引了世界各地生化工程學(xué)者訪問(wèn)進(jìn)修。優(yōu)秀的人才，前沿的課題加上杰出的教授，使BPEC 的學(xué)術(shù)氛圍異?；钴S，產(chǎn)生的大腦風(fēng)暴（brain storming）激發(fā)了創(chuàng)新的火花，使得許多科學(xué)難題被攻破，一批生化工程人才脫穎而出走向世界［23］。在王先生擔(dān)任主任的15年間，BPEC獲得了博士和碩士學(xué)位的研究生數(shù)百人，各種時(shí)間段的訪問(wèn)學(xué)者近千人。

王先生既是一位著名科學(xué)家，也是一位杰出的教育家。在他手下攻讀學(xué)位的研究生都盛贊他學(xué)術(shù)嚴(yán)謹(jǐn)，和藹可親，教育有方。他指導(dǎo)的研究生畢業(yè)以后成績(jī)斐然，有的在生化工程研究和教學(xué)取得了豐碩的成果，如美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的胡維碩（Hu Wei-Shou）教授、加拿大UBC 的James Piret 教授、美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的Andreas Bommarius教授等；有的投身工業(yè)界在科技轉(zhuǎn)化和產(chǎn)品開發(fā)上做出突出貢獻(xiàn)，如美國(guó)博大公司（PerSeptive）的創(chuàng)始人、現(xiàn)Moderna 公司（新冠mRNA 疫苗開發(fā)者）董事、旗艦先驅(qū)公司（Flagship Pioneering）總裁Noubar Afeyan，北京神州細(xì)胞生物技術(shù)集團(tuán)股份公司董事長(zhǎng)兼總經(jīng)理、北京義翹神州科技股份有限公司董事長(zhǎng)、北京協(xié)和醫(yī)科大學(xué)細(xì)胞工程研發(fā)中心主任謝良志等。

王先生不僅對(duì)自己的學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)，而且對(duì)所有BPEC 的學(xué)生和學(xué)者都一視同仁，給予親切的關(guān)心和指導(dǎo)。一個(gè)典型例子是研究生Arun Chandavarkar的論文工作。

Arun 的課題是蛋白質(zhì)對(duì)微孔膜污染的動(dòng)力學(xué)［24］。微孔膜分離經(jīng)常用于從蛋白質(zhì)溶液中去除細(xì)胞和細(xì)胞碎片。由于微孔膜的孔道一般為0.1～0.45 μm，細(xì)胞和細(xì)胞碎片為微米級(jí)（1～20 μm），蛋白質(zhì)分子尺寸是納米級(jí)，因此蛋白質(zhì)將穿過(guò)微孔膜。但是在大規(guī)模生產(chǎn)中卻出現(xiàn)蛋白質(zhì)被微孔膜截留、膜受到嚴(yán)重污染的情況。

Arun 的導(dǎo)師是生物過(guò)程工程專家Charles Cooney 教授，論文指導(dǎo)小組包括Clark Colton、William Dean、Gregory Stephanopoulos、Martin Yarmush 等國(guó)際著名的膜分離、傳質(zhì)、反應(yīng)和蛋白質(zhì)科學(xué)專家。他們的高水平指導(dǎo)和Arun 的才智與勤奮結(jié)合，獲得了一系列新發(fā)現(xiàn)。如圖5 所示，其中（a）是用蠕動(dòng)泵將含有牛血清白蛋白的溶液打循環(huán)，然后用0.2μm 的膜過(guò)濾不同循環(huán)時(shí)間的蛋白質(zhì)溶液［圖5（b）］。其結(jié)果如圖5（c）所示，在沒(méi)有經(jīng)過(guò)泵循環(huán)時(shí)，獲得的濾液和時(shí)間接近正比；但是用泵循環(huán)5min 以后再進(jìn)行膜過(guò)濾的時(shí)候，就發(fā)現(xiàn)過(guò)濾速度迅速下降并產(chǎn)生了膜堵塞。但是Arun 面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，堵塞微孔膜的罪魁禍?zhǔn)椎降资鞘裁矗鯓尤グl(fā)現(xiàn)與表征？

圖5 不含細(xì)胞的純蛋白質(zhì)溶液通過(guò)微孔膜產(chǎn)生的過(guò)濾速度下降Fig.5 Flux decline of cell-free protein solution through a microporous membrane

王義翹先生雖然不是Arun 的導(dǎo)師，也不是論文指導(dǎo)小組的成員，但他幾乎每次都參加BPEC 的午飯討論會(huì)（BPEC 內(nèi)部的一種學(xué)術(shù)交流），熟悉每個(gè)研究組的進(jìn)展并給予學(xué)術(shù)指導(dǎo)。對(duì)于Arun 面臨的難題，王先生推斷在泵輸送蛋白質(zhì)溶液的過(guò)程中有超大的蛋白質(zhì)聚集體產(chǎn)生，堵塞了膜孔道，是造成flux下降的罪魁禍?zhǔn)?。王先生建議采用準(zhǔn)彈性光散射（quasi-elastic light scattering，QLS）方法來(lái)測(cè)定溶液中蛋白質(zhì)聚集體的形成，再結(jié)合還原型和非還原型電泳分析來(lái)確定聚集體生成的動(dòng)力學(xué)。這個(gè)建議很有創(chuàng)意，因?yàn)槿绻麊渭儾捎脗鹘y(tǒng)的電泳分析，只能確定白蛋白的二聚體或三聚體，但很難確定多聚體的存在。超速離心或蛋白質(zhì)色譜可以證明聚集體存在，但在分析過(guò)程中容易造成聚集體的破壞。而QLS 采用激光技術(shù)，不會(huì)造成聚集體的裂解，可以很快計(jì)算出溶液中出現(xiàn)的蛋白質(zhì)聚集體的尺寸和數(shù)量，是一種先進(jìn)、快速和相對(duì)準(zhǔn)確的方法。

在王先生的支持下，Arun 掌握了QLS 技術(shù)，將其應(yīng)用于微孔膜堵塞機(jī)理的研究，終于獲得突破。他發(fā)現(xiàn)不同的泵送系統(tǒng)和不同的膜分離模式對(duì)形成蛋白質(zhì)聚集體影響非常大。工業(yè)部門常用的泵送系統(tǒng)容易使蛋白質(zhì)溶液產(chǎn)生聚集體，泵送的次數(shù)越多、時(shí)間越長(zhǎng)，溶液中的聚集體數(shù)量就越多。由于聚集體的本質(zhì)是一種無(wú)規(guī)則的絮凝體，尺寸不僅大于微孔膜的孔道，而且由于其膠體的特性極易堵塞孔道并在膜表面形成濃度極化層。盡管形成的蛋白質(zhì)絮凝體還不到全部蛋白質(zhì)的5‰，但卻足以使膜過(guò)濾通量迅速下降。此外，失活的蛋白質(zhì)等于增加了雜質(zhì)的含量，給質(zhì)量控制帶來(lái)了麻煩。通過(guò)合理設(shè)計(jì)膜分離過(guò)程的設(shè)備、流程和操作模式，不僅可以避免膜分離過(guò)程中的污染現(xiàn)象，提高生產(chǎn)的效率，而且可以避免或減少蛋白質(zhì)絮凝體的形成，確保產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。

Arun的研究結(jié)果得到了答辯委員會(huì)專家的肯定和好評(píng)，獲得了博士學(xué)位。由于BPEC 與美國(guó)生物技術(shù)工業(yè)的緊密聯(lián)系，他的研究結(jié)果也得到了各大生物制藥公司的重視。這些公司的研究團(tuán)隊(duì)迅速采取相應(yīng)的技術(shù)措施，改進(jìn)膜分離過(guò)程的工藝設(shè)計(jì)，解決了以往效率低的技術(shù)瓶頸，減少了蛋白質(zhì)溶液的失活，提升了過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和安全性。Arun在博士論文的致謝中寫到：Professor Daniel Wang，although not on my thesis committee，was a great source of inspiration with his many thought provoking questions during the weekly group seminars［24］。

可以說(shuō)，卓越的人才培養(yǎng)業(yè)績(jī)是王義翹先生生平的另一座豐碑，其高度和創(chuàng)建BPEC 一樣。因此MIT 在訃告中用了這樣的副標(biāo)題：Longtime MIT professor launched the Biotechnology Process Engineering Center and influenced generations of students［1］。

5 對(duì)我國(guó)生物過(guò)程科學(xué)技術(shù)發(fā)展的影響和啟示

我國(guó)生物技術(shù)在20世紀(jì)80年代起步。國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）將生物技術(shù)作為重點(diǎn)，推動(dòng)了國(guó)際交流合作，90年代赴美訪問(wèn)留學(xué)人數(shù)迅速增加。BPEC 作為美國(guó)國(guó)家基金會(huì)資助的生物過(guò)程科技研發(fā)的重點(diǎn)單位，吸引了很多中國(guó)學(xué)者的注意。筆者在BPEC 期間曾幫助聯(lián)系我國(guó)生物代表團(tuán)和一些個(gè)人的參觀和訪問(wèn)，得到王義翹先生的大力支持。盡管工作非常繁忙，他總是抽出時(shí)間來(lái)接待我國(guó)來(lái)訪者，介紹BPEC 的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和成果，回答客人感興趣的問(wèn)題，了解和傾聽(tīng)我國(guó)生物技術(shù)的進(jìn)展，推薦MIT的相關(guān)教授和美國(guó)生物技術(shù)研究的重點(diǎn)大學(xué)、研究所和公司等，使來(lái)訪者受益匪淺。從90年代開始，在BPEC從事研究的中國(guó)訪問(wèn)學(xué)生和研究生逐漸增加，他們中多數(shù)人學(xué)成之后回國(guó)效力，成為我國(guó)生物技術(shù)發(fā)展的中堅(jiān)力量。

BPEC 的成功經(jīng)驗(yàn)為我國(guó)生物技術(shù)的發(fā)展起到了重要的參考和借鑒作用。由于麻省理工學(xué)院是美國(guó)大學(xué)化學(xué)工程教育和科研的發(fā)源地，我國(guó)化工界歷來(lái)重視他們的科研動(dòng)向。生化工程在國(guó)際上的興起，MIT 得到NSF 的資助建立了BPEC，促進(jìn)了我國(guó)化工領(lǐng)域科學(xué)研究向生化工程傾斜。各大化工院校和科研院所都對(duì)生化工程進(jìn)行了布局。20 世紀(jì)80 年代，中國(guó)科學(xué)院化工冶金研究所（現(xiàn)過(guò)程工程研究所）所長(zhǎng)、國(guó)際著名化工專家郭慕孫先生聯(lián)合上海細(xì)胞生物學(xué)研究所著名細(xì)胞生物學(xué)家施履吉先生向中科院、國(guó)家科委和國(guó)家計(jì)委提出建立生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的建議；同期，華東化工學(xué)院（現(xiàn)華東理工大學(xué)）我國(guó)生化工程先驅(qū)者俞俊棠教授向國(guó)家教委、國(guó)家科委和國(guó)家計(jì)委提出建立生物反應(yīng)器工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的建議。這兩項(xiàng)建議在1988 年得到批準(zhǔn)，國(guó)家計(jì)委將“生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”和“生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”列入全國(guó)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的名單。各個(gè)重點(diǎn)高?；W(xué)院也相繼建立了生化工程（現(xiàn)生物工程）專業(yè)，一批省部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室如生物工程、工業(yè)生物催化、系統(tǒng)生物工程等獲得了中科院、教育部和地方政府的支持。這些重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在建立和發(fā)展中，都非常重視汲取同行成功的經(jīng)驗(yàn)，BPEC 作為國(guó)際領(lǐng)先的科研單位無(wú)疑是重點(diǎn)學(xué)習(xí)的對(duì)象，而我國(guó)的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在學(xué)習(xí)同行的同時(shí)，也突出了國(guó)家需求和與時(shí)俱進(jìn)，強(qiáng)調(diào)了工程科學(xué)的創(chuàng)新。

生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展具有一定的代表意義。老一輩科學(xué)家積極推動(dòng)生化工程的建設(shè)，申請(qǐng)到了國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，但如何開展創(chuàng)新研究，卻需要后繼者進(jìn)行努力。生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和BPEC 的定位相同，都是側(cè)重于過(guò)程工程（process engineering），從基礎(chǔ)到應(yīng)用，從原料到產(chǎn)品，解決生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的工藝、技術(shù)、裝備、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。但在研究的大方向上，生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室除了生化反應(yīng)工程和生化分離工程外，還包括了生化制劑工程。如圖6所示，生化反應(yīng)工程、生化分離工程和生化制劑工程是一個(gè)接力型的整體，包括了從原料到產(chǎn)品的整個(gè)過(guò)程。BPEC 在布局上沒(méi)有考慮制劑工程，可能是由于當(dāng)時(shí)MIT 化工系還有Robert Langer領(lǐng)導(dǎo)的專門從事各種緩釋、控釋技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。對(duì)于我國(guó)來(lái)講，制劑工程非常急需，而且與反應(yīng)工程和分離工程相互連接。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將生化制劑工程作為主要方向之一，反映了國(guó)際前沿和國(guó)家需求，也便于向同行學(xué)習(xí)和提升。事實(shí)證明，這個(gè)研究方向的布局非常正確，已經(jīng)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展［25-26］。

圖6 生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研方向的結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of research directions for State Key Laboratory of Biochemical Engineering

生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)了BPEC 與時(shí)俱進(jìn)、與生物技術(shù)前沿緊密結(jié)合的思想。實(shí)驗(yàn)室在成立初期，研究的重點(diǎn)是生物反應(yīng)器和生物質(zhì)工程。隨著我國(guó)生物技術(shù)的迅猛發(fā)展和需求，實(shí)驗(yàn)室又將研究重點(diǎn)拓展到生物制藥領(lǐng)域。與以往的小分子產(chǎn)物不同，生物制藥的主要目標(biāo)產(chǎn)物是有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的超大分子，如血液蛋白質(zhì)、細(xì)胞因子、抗體、疫苗。對(duì)于化工背景的科研單位和研究人員來(lái)說(shuō)，這方面研究基礎(chǔ)薄弱。而當(dāng)時(shí)很多生物學(xué)專家對(duì)于生化工程能起到的作用還不清楚。面對(duì)挑戰(zhàn)，實(shí)驗(yàn)室緊緊抓住生物制藥中規(guī)模、質(zhì)量、安全性和成本等涉及工程科學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題，充分發(fā)揮膜分離、色譜分離和修飾反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，在血液代用品、長(zhǎng)效細(xì)胞因子藥物、基因工程疫苗的分離純化、聚乙二醇化、質(zhì)量控制和規(guī)?；苽渖献龀隽送怀龅呢暙I(xiàn)，成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，獲得了各種獎(jiǎng)勵(lì)，并得到了生物領(lǐng)域?qū)＜业恼J(rèn)可，促進(jìn)了交流合作和科研成果從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化鏈條的建立。

6 結(jié)語(yǔ)

本文從作者自己的視角，通過(guò)對(duì)歷史的回顧和BPEC 的科研實(shí)例，反映王義翹先生及其創(chuàng)立和領(lǐng)導(dǎo)的麻省理工學(xué)院生物技術(shù)過(guò)程工程中心的重大貢獻(xiàn)。其中涉及的科研內(nèi)容對(duì)今天的研究仍有參考價(jià)值。王義翹的深邃遠(yuǎn)見(jiàn)，將生化工程拓展到生物制藥領(lǐng)域，率先開展了動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)工程和蛋白質(zhì)分離純化工程，為生物技術(shù)的發(fā)展起到了重大的支撐作用；他將眾多教授匯聚在BPEC 這一國(guó)家級(jí)科研平臺(tái)上，學(xué)科交叉，知識(shí)融合，取得了眾多協(xié)同創(chuàng)新的優(yōu)秀成果；他開展與企業(yè)的合作，從大規(guī)模生產(chǎn)難題中提煉科學(xué)問(wèn)題，再通過(guò)基礎(chǔ)與應(yīng)用結(jié)合的創(chuàng)新，突破了許多制約產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)瓶頸，確立了生化工程在生物技術(shù)中不可替代的地位；他重視人才培養(yǎng)，建立學(xué)術(shù)交流機(jī)制，激發(fā)年輕一代的聰明才智，為生化工程的可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

回顧王義翹先生和他領(lǐng)導(dǎo)BPEC 對(duì)我國(guó)生化工程的影響，印象最為深刻的是與時(shí)俱進(jìn)的創(chuàng)新精神。這種精神體現(xiàn)在建立了生化工程在我國(guó)生命科學(xué)和生物技術(shù)發(fā)展中獨(dú)特的學(xué)術(shù)地位和領(lǐng)域，從生物反應(yīng)器到生物催化，從生物分離純化到生物藥長(zhǎng)效化和靶向化，從裝備、介質(zhì)、工藝到生物生產(chǎn)的管道化和智能化，成為生命科學(xué)和生物技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的支撐。不僅如此，我國(guó)生化工程研究者也已融合到合成生物學(xué)、基因編輯學(xué)、疫苗合成學(xué)等前沿生命科學(xué)研究的大軍中，正在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。