离子束生物工程学应用

　　上世纪８０年代中期，我国科学家进行着一项鲜为人知的实验。他们将一束离子加速，注入到生物体内，想看看实验体系中究竟发生了什么。１９８６年终于发现，离子注入后的水稻种子如同搭乘阿波罗飞船太空旅行的玉米一样，叶片上出现了黄色的条纹。人们深入研究了这一现象，并很快投入了应用。

离子束在生物工程学中的应用离不开对原初过程的理解。研究发现，离子束就像“手术刀”那样可对生物体表面进行刻蚀，留下一个个纳米尺度的微孔，后来的离子甚至比离子大几十、上百倍的ＤＮＡ分子，也可由此注入细胞。离子注入细胞时，不断把它的能量传递给被它碰撞的“靶”原子，自身的速度慢慢降下来。被它碰撞的靶原子如果获得较大的能量，就会从原来的位置跑出来，也像注入离子那样碰撞其他的靶原子。这就好比打台球，主球（注入离子或从原位撞出的原子）击中排列在一起的彩球（生物分子）中的某一个（组成分子的原子），引起级联碰撞，被碰到的所有球都移动位置重新排列。最终，慢化后的注入离子、移位原子和本底元素在新的位置上重组，按化学反应规律形成新的分子。

这种规律用于解释离子注入生物效应物理化学过程是成功的。但是，中国科学家并没有就此止步，而是提出了新的命题，即“低能离子在生命化学起源和星际分子形成中的作用”问题。天文观察可知，太阳风和星际分子间低能粒子占绝大部分。在原始大气中，由于雷电、火山爆发、地壳放射性元素的衰变，都可能产生低能粒子。模拟星际分子或原始大气组份离子，如Ｃ＋离子注入水，可形成甲酸、乙酸和丙酸，Ｎ＋离子注入水可形成氨水，而Ｃ＋离子注入氨水可形成三种氨基酸。后来的实验证明，ＣＯ＋、ＣＯ２＋、ＣＨ４＋离子注入水可形成丰富有机分子；离子注入有机分子，只要实验系统中有氮参与，不管氮元素是有机分子中所含有的还是来自注入离子，都有一定的几率形成带有氨基的有机分子，有的还可以形成氨基酸，提示低能离子在生命化学起源中或星际分子形成中的确发挥了重要作用。这种作用可以发生在海洋，也可以发生在陆地，再淌入海洋。

上述研究不仅增加了人们对生命化学起源途径的认识，而且对开拓离子束生物工程学应用提供了重要的基础知识。

所谓离子束生物工程，就是将人们希望的离子注入到遗传物质上，使原子分子移位、重排，最终按化学反应规律重组ＤＮＡ分子结构；或者，利用离子束加工细胞，在细胞壁形成可修复的小孔，改变孔底电性，促进外源基因（组）转入细胞，实现在新的背景条件下的遗传转化。

离子束生物工程学从开创到技术系统建立到实际应用才只有十年多的时间，已在工农业生产上发挥了重要作用。

例如，离子束生物技术修饰的维生素Ｃ高产菌株产业化使我国维生素Ｃ行业在国际竞争中取胜就是个典型的例子。众所周知，维生素Ｃ是我国战略出口产品。２０世纪９０年代初，国内有近３０家企业，出口占国际市场３０％左右，挤占了国际市场。于是，国际维生素Ｃ巨头掀起价格大战，使我国Ｖｃ行业损失惨重，到１９９８年，只剩下四家苦苦支撑。正是在这一年，维生素Ｃ高产菌株转让东北制药和江山制药，在３００吨罐试产，糖 － 酸克分子转化率达到９４．８％，重量转化率为１０２％。这就是说，１００公斤山梨糖可产出１０２公斤古龙酸（维生素Ｃ前体），几乎接近菌种转化率的极限，被喻为“自Ｖｃ二步法发酵发明以来的重大突破”，引起一场“间谍战”。

据业内专家透露，现在，全行业都在使用新菌株。２００２年，我国Ｖｃ行业成为国际主要供应商，当年下半年就为国家新增外汇２０００万美元，２００３年仅江苏江山一家，创造利润就有２亿元。

再如，花生四烯酸是人体必需不饱和脂肪酸。但是，由于花生四烯酸资源限制，迟迟得不到开发利用。２０００年，为推广应用离子束生物工程菌生产花生四烯酸技术，在武汉成立一家新公司——武汉烯王生物工程公司，２００２年建厂投产，产品出口欧美、东南亚二十多个国家和地区。２００３年按欧盟食品标准通过认证，吸引世界５００强之一的嘉吉公司投资，有可能建成世界上最大的花生四烯酸生产基地。

粮食安全是国家发展、社会稳定的关键因素之一。１９９７年，离子束生物工程学瞄准改变双季稻区稻农双抢时节紧张、艰苦、低效的耕作技术，创制一种即做早稻直播又做晚稻直播的水稻新种质。经过７年１４季的研究，终于开发出“双季同种，联作直播”双季稻种植新模式。

２００２、２００３年春秋四季由省、市组织专家跟踪测评，每季亩产均在５００千克以上。经农业部稻米质量检测中心检测，所有指标达到部颁优质米标准。据专家测算，新技术每亩每季节省费用１８９元，配以机械化收割，一个稻农可由原来只能耕作５亩发展到５０亩。这一新技术的核心在于双季用同一个品种。如果品种不同，早稻品种收割时的落粒就变成晚稻品种的杂草，不仅影响晚稻产量，而且由于品种混杂而影响晚稻的商品性。

粮食安全还有一个储存问题。国家每年花在水稻储存上的费用达数百亿元，给财政带来沉重负担。１９９７年，离子束生物技术结合常规育种，创制了耐储存水稻皖鉴２０９０，储存４２个月发芽率仍在９８％，而日本耐储存水稻ＤＡＷ ＤＡＭ发芽率已降为零。温总理非常重视，亲自批示：“这是一项对保障国家粮食安全有重大意义的研究工作。要集中优势力量联合攻关，加快水稻及其他粮食作物耐储品种的培育和推广步伐，争取早日解决粮食安全储存问题”。

科学家预言，开发与人类健康有关的多种营养素集中到一种植物的技术是２１世纪农业生物技术发展方向之一。离子束生物工程学在这方面的应用显示其独特的优点。

１９９８年夏天，合肥低温多雨，西瓜卖不出去，瓜农一季的辛苦白费了。这种情况触发了科技人员的灵感：“瓜农既卖瓜又卖叶子就好了”。他们用离子束介导法把银杏遗传物质导入西瓜，当代在西瓜叶内检测到银杏内脂。如果这一性状能稳定遗传，那西瓜叶将会像银杏叶一样值钱了。在２０００年中国首届博士后学术大会上，报道这一实验的论文在９００多篇论文中脱颖而出，获得了农林口唯一的一等奖。

后来的研究表明，在瓜叶、茎中含有银杏内脂的西瓜植株呈递增趋势。在每代种植的２００株中，第四代有６株、第五代９株、今年（第六代）１１株。从一级质谱和二级质谱看，所有检测到的银杏内酯都是Ｃ型。

为了开展离子束生物工程学应用的研究，中国科学家发明了“低能离子束细胞修饰技术和装置”，成为新领域研究的基本方法和经典装置。２００３年，国家知识产权局和世界知识产权组织授予这一发明为“中国专利金奖”。

现在，他们又开发出一个一个地向细胞预定位置投射离子的技术。中国科学院组织专家验收时指出，这是“我国离子束辐照技术的重大突破，必将大大开拓离子束的应用范围”。

这种单离子束细胞精确定位技术使科学家能选择性地照射细胞、细胞核或细胞器，切断基因，研究损伤修复、信号传导、基因表达调控和发育生物学等热点课题。

科技创新是一个民族立足的根本。离子束生物工程学作为新的交叉学科分支已经走过了十多年的时间。到２００３年底统计，仅本实验室一家利用离子束生物技术育成１８个新品种大面积推广，６个新菌株全部产业化，在工农业生产上创造了３０亿元的经济效益。

去年，中国科学院在知识创新工程总结材料中，将“离子束生物工程学”列为全院３１项“已经取得的高技术领域对我国产业发展具有带动作用，对国家安全具有战略意义的自主创新成果”之一和６９项“已培育出的新的科技增长点”之一，且作为建院５０年周年成果展８０余项成果之一。几年来，安徽省人民政府连续奖励实验室４７万元。