國家生化工程技術研究中心(北京)

李 強

國家生化工程技術研究中心(北京)

National Engineering Research Center For Biotechnology（Beijing）

李 強

開欄語：

“十一五”期間，中國經濟平穩較快發展，綜合國力顯著提高，社會事業顯著進步，人民生活顯著改善。中國經濟在世界經濟格局中的地位進一步提高，國內生產總值已躍居世界第二。中國已成為世界制造基地，成為世界重要的工業品生產和供應基地。然而，中國所取得的令世界矚目的經濟成就與低價格高素質勞動力的供給密不可分。缺乏核心技術致使中國的制造業一直處于全球制造業的生產鏈的中低端，某些產業92%的利潤被跨國公司拿走。更為嚴峻的是，我國人口增速下降，人口紅利正加速衰減。自1978年計劃生育政策成為基本國策，我國人口的快速增長得到了有效的控制。但是，計劃生育政策同時也改變了人口結構，加速了我國人口老齡化。據預測，到21世紀中葉，中國將失去18%～35%的勞動力，這就意味著中國的勞動力不再廉價、充足。為維持經濟的快速穩定發展，中國迫切需要加快轉變經濟發展方式，從人力密集型、資本密集型為主的產業結構到技術密集型、文化密集型為主的產業結構。因此，中國提出“十二五”期間的主要任務是加快轉變經濟發展方式，基本建成國家創新體系，國家綜合創新能力世界排名由目前第21位上升至前18位，科技進步貢獻率力爭達到55%，創新型國家建設取得實質性進展。

為實現建設創新型國家和產業結構優化升級的重大戰略，科技部和國家計劃委員會（現國家發改委）分別組織實施了“國家工程技術研究中心建設項目計劃”。科技部組織實施的國家工程中心命名為“國家工程技術研究中心”，發改委組織實施的命名為“國家工程研究中心”。以提高自主創新能力、增強產業核心競爭能力和發展后勁為目標，組織具有較強研究開發和綜合實力的高校、科研機構和企業等建設的研究開發實體。在“創新、產業化”方針指引下，探索科技與經濟結合的新途徑，加強科技成果向生產力轉化的中間環節，促進科技產業化；面向企業規模生產的需要，推動集成、配套的工程化成果向相關行業輻射、轉移與擴散，促進新興產業的崛起和傳統產業的升級改造；促進科技體制改革，培養一流的工程技術人才，建設一流的工程化實驗條件，形成我國科研開發、技術創新和產業化基地。至2010年，我國共建成國家工程中心268個，其中科技部組建了141個。分布于農業、能源、制造業、信息與通信、生物技術、材料、建設與環境保護、資源開發利用、輕紡、醫藥衛生等領域，遍及全國二十多個省市自治區。

本刊增設“工程中心”專欄，旨在介紹“國家工程中心”的概況以及相關技術領域的國際最新進展和發展趨勢，關注“工程中心”的運行方法、先進技術研發情況、創新技術發展前景及重要技術成果產業化，展現國家工程中心在創新型國家建設和促進產業結構優化升級過程中的重要貢獻。

國家生化工程技術研究中心是根據國家生物技術產業化研究的需要，于1996年由中國科學院過程工程研究所（原中國科學院化工冶金研究所）與南京工業大學、華東理工大學聯合申請成立的國家級研究中心。中國科學院過程工程研究所負責國家生化工程技術研究中心（北京）的建設，于2000年通過國家科技部的驗收。

國家生化工程技術研究中心（北京）（以下簡稱“中心”）關注于生物和化工的交叉研究，瞄準國家能源、資源、醫藥等重大需求，從實際應用中提取生化工程應用過程的關鍵問題，側重于突破成果產業化的技術瓶頸，發揮連接生物技術和生化工程基礎研究實驗室和生物技術企業之間的橋梁和紐帶作用，以工業生物放大過程中存在的關鍵工程科學技術問題為突破口，以實質性地提高我國工業生物過程研究的創新能力為目標，促進資源、能源、生物基化學品、醫藥衛生等領域的研究，同時支撐我國生物制造的發展和進步。

中心以中國科學院過程工程研究所為依托，與生化工程國家重點實驗室相互協作，主要研究大規模生物反應、生物分離純化、生物劑型工程的核心技術，在蛋白質、多肽以及天然產物有效成分的分離純化等方面進行工程設計、放大和產業化；自成立以來承擔了多項國家863計劃、國家科技攻關計劃、各企業委托項目及技術轉讓項目，涉及生物反應、生化分離、生化產品制備過程優化、生化分離特種介質的研制等多個方面，與相關企業合作進行了技術的應用推廣及新產品的產業化轉化；并與生物技術上游單位和部分制藥企業合作，進行技術的放大和產品的規模化生產，形成了對生物產品制備過程進行理論研究及應用開發的產學研基地。此外，中心還抓住世界范圍內藥物發展的趨勢，積極開展緩釋、控釋以及長效藥物的開發研究工作，并取得了一些突破性的進展。可提供自主品牌各類層析介質、緩/控釋藥物制劑、聚乙二醇（PEG）修飾劑、長效藥物制劑、高穩定性乳液生產設備、層析柱、層析設備和產學研相結合的技術服務平臺。

中心以重點推廣自主開發的品牌產品、工藝、設備為核心，多種盈利方式并存的發展思路，走出了一條具有中心特色的盈利模式：（1）科技和工程成果直接轉讓，近四年來中心有41項專利技術在企業得到實施，約占授權專利的23%；（2）“產學研用”聯合盈利平臺，一方面解決國家重大需求，另一方面促進中心成果在企業中的迅速轉化；（3）企業創新資助，中心與國內外百余家企業簽訂合作協議，為企業設計新流程，實施新技術，進行傳統產品和工藝的升級改造，促進了企業的發展并創造了巨大的經濟效益；（4）參與和幫助企業孵化，中心為多家科研單位和企業提供了中試平臺以及過程放大設計，使其技術迅速孵化成產品，節省了時間和精力，解決了科學技術工程化的難題。中心的大型設備和核心技術面向國內外同行，提供服務和技術咨詢及產業化。目前大型儀器設備已經加入了中科院過程工程研究所的聯合分析測試中心、中科院北郊生命科學儀器區域中心以及北京市中關村開放實驗室，可從網上預約使用。

中心團隊：

中心圍繞項目布局，積極加強了高層次、復合型人才的培養與引進。根據備選人的學術成就或學術水平建立了三個層次的引進人才政策（包括院士級別、杰出人才及百人計劃）。在薄弱方向上引進了“杰出人才”（相當于國家千人計劃，影響力高于百人計劃），迅速帶領出一支隊伍；在優勢方向上引進了百人計劃，加入優勢方向團隊，形成整體優勢；按主要研究方向組成創新團隊，設立團隊首席。

中心受主任和首席科學家的直接管理和指導，下設開發部、推廣部、評價部、銷售部、商務談判部、售后服務部等部門，各部門分工明確、協同合作，凝聚團隊力量，開拓創新。目前，中心共組建了四個團隊：生物大分子過程工程創新團隊、生物質工程創新團隊、綠色分離工程與環境生物技術創新團隊、生化工程介質與裝備創新團隊。上述每個團隊由多名高級職稱人員組成，在團隊中實現力量整合、學科交叉、優勢互補、幫扶新人，形成團隊在優勢方向上的整體競爭優勢，共同承擔國家和企業的重要項目。中心團隊具有工程技術研究開發、對外開放服務的能力和水平。

部分關鍵技術和產品簡介

1、尺寸均一的微球分離介質及載藥微囊

生化工程介質可用于生化反應中的細胞微載體、酶固定化載體，生化分離中的層析介質，生化劑型中的載藥微囊等。微球和微囊作為新型的生化功能材料，可用作生物分離介質、酶固定化載體、蛋白質/多肽藥物載體，在許多領域均有著廣泛的應用。它們是現代生物技術實現產業化過程中不可缺少的“硬件”。生化工程介質屬于消耗材料，每年耗資巨大，發展具有自主知識產權的新型生化工程介質具有重大的意義。

隨著生化工程技術及相關產業的快速發展，對功能材料的要求也越來越高。針對目前生化工程介質研制過程中難以制備尺寸均一的多孔微球介質的關鍵問題，中心發展了新的制備過程——新型膜乳化技術，一步合成制備出了疏水性、極性、親水性的微米級-百微米級合成高分子多孔介質以及天然高分子多糖介質。膜乳化法通過無機微孔膜為介質，借助于膜分離和毛細管作用力原理，解決了傳統乳化方法存在的問題，實現了微球和微囊的均一性和可控性。中心采用膜乳化技術制備了20多種不同結構和性能的微球和微囊，形成了系統化的尺寸均一可控的微球和微囊制備技術，并將其用于生化分離介質、藥物載體等多個方面。尺寸的均一性和可控性提高了天然產物的分離效果，可將藥物與結構類似的雜質完全分開，所開發的獨特的介質成孔技術，實現了納米-微米級的孔徑可控，可應用于生物大分子和小分子產品的分離純化。運用配基均勻連接技術和分離工藝緊密結合的策略制備出了系列多糖微球產品，介質已被國內外用戶廣泛使用，產品性能獲得用戶的好評。該項研究獲中科院百人計劃、國家杰出青年科學基金“用于生物化學工程和醫學工程的新型聚合物微球”、863高技術項目“尺寸可控的海洋多糖微球與微囊”，中科院創新設備研制項目“高通量膜乳化器”等項目的支持。

層析介質產品

中心已成功研制了瓊脂糖凝膠層析介質系列產品，包括疏水層析介質、離子交換介質、親和介質及凝膠過濾介質等，品種齊全，應用領域廣泛。瓊脂糖凝膠介質的國產化對我國生物工程下游產業的發展意義重大。近年來，中心在原有3種產品（凝膠過濾、陰離子交換介質、陽離子交換介質）實現產業化的基礎上，重點開發了高附加值的親和層析介質（如金屬螯合介質、GST親和介質、Protein A親和介質、肝素親和介質、藍膠親和介質等）、用于配基偶聯的活化介質（環氧活化、NHS活化介質）以及超大孔介質等，產品質量達到國際同類產品的最好水平，且價格優勢明顯。中心以瓊脂糖微球作為基質，以偶聯的各種特異性功能基團作為配基，不僅可以提供親和層析介質如瓊脂糖親和介質（Ni）、瓊脂糖親和介質（谷胱甘肽）、瓊脂糖親和介質（肝素）、瓊脂糖親和介質（藍膠）及瓊脂糖親和介質（蛋白A）等，還可依據用戶的具體需求生產出具有不同配基的瓊脂糖親和介質。中心的生物分離介質和微囊制備技術、設備和產品在國內外八十多家單位得到應用。其中，瓊脂糖介質產品的分離性能良好、成本低，在大規模生物分離層析工藝中得到越來越多的應用，為企業創造了較大的經濟效益；自主研制的膜乳化器在企業批量制備出了瓊脂糖介質、合成介質，實現了成果產業化；載藥微囊在GMP車間完成了批量制備，能夠滿足臨床前實驗和臨床實驗研究。此外，中心還開發了具有自主知識產權的魔芋葡甘聚糖細胞培養微載體，并用于Vero細胞、CHO細胞、BHK細胞等的培養，這一成果將大幅降低動物細胞培養成本，提高我國生物制品企業的競爭能力。

2、核酸和多肽藥物修飾及劑型化

PEG修飾人粒細胞集落刺激因子新藥

不同品種PEG修飾劑產品

中心積極開發具有自主知識產權的聚乙二醇（PEG）修飾劑和PEG修飾技術，獲得了10項發明專利，處于業界領跑者地位，有力地保護了我國PEG修飾劑的知識產權；同時，PEG修飾劑的制備規模已達到批次公斤級，成為我國PEG修飾原料提供者，為我國PEG修飾技術發展提供基礎支撐。在PEG修飾劑和修飾工藝的支撐下引領了我國PEG修飾蛋白質的發展，作為牽頭單位與我國多個企業聯合承擔國家863計劃PEG修飾項目，在PEG修飾技術和產品開發方面取得了豐碩的成果，其中已有多個產品進入臨床試驗，使我國長效蛋白質藥物的研制與產業化正在快速趕上發達國家。建立了重組人粒細胞集落刺激因子（rhG-CSF）的PEG（分子量三萬）定點修飾和一步法離子交換純化工藝，獲發明專利；完成了三批克級以上30k-PEG-rhG-CSF注射液的規模化制備及臨床前實驗研究，與國際上現有的20k-PEG-rhGCSF相比半衰期明顯延長，已經通過了北京市藥品監督管理局的現場考查和中國藥品生物制品檢定所的檢測，并于2011年獲得了臨床批件。

殼聚糖微球（SEM）

聚乳酸微球（SEM）

聚乳酸載體微球（SEM）

抗癌復乳藥物載體（光鏡）

多孔微球（SEM）

取得的一系列的成果擴大了中心在生物制藥行業中的知名度，一些著名制藥公司和研發單位與中心合作，研究多個重組人細胞因子的修飾技術。中心采用PEG丙醛（分子量兩萬）定點修飾細胞因子的N末端，結合一步法離子交換工藝，完成了PEG定點修飾細胞因子的規模化制備、大規模分離純化與大鼠體內的藥效動力學實驗。結果表明PEG修飾延長了多個細胞因子的循環半衰期，能更好地保護藥物的生物學功能。此外，在生物藥物的微包埋研究方面，中心也與國內外知名企業展開了“復合微球/微囊”、“硅油乳液制備”技術合作、“蛋白質/DNA包埋合作協議”等重要技術合作項目。

3、藥物緩/控釋制劑

針對蛋白質及多肽類藥物直接用藥時存在的不易吸收、半衰期短、容易被體內酶類降解以及現有制備過程難以制備尺寸均一、可控的微囊等關鍵問題，發展了新型制備過程——膜乳化技術，制備出了尺寸均一的各種微囊。同時，通過合成新的材料，開發新的固化過程，解決了蛋白質藥物在包埋和釋藥過程中容易失活和藥物釋放速度過慢等問題。已制備的制劑有殼聚糖微球、聚乳酸系列微囊、殼聚糖基智能型水凝膠、溫敏型白蛋白納米球和抗癌藥物栓塞劑等。聚乳酸微囊和殼聚糖微囊在疫苗制劑和口服制劑中使用正在向實際應用方向發展。該項研究獲國家杰出青年科學基金“用于生物化學工程和醫學工程的新型聚合物微球”、863高技術項目“尺寸可控的海洋多糖微球與微囊”、國家重大科技專項-創新藥物和中藥現代化“長效基因工程蛋白質和多肽制劑關鍵技術”等項目的支持。

4、生物大分子純化

漢遜酵母表達乙肝疫苗純化，P1為純化過程中乙肝病毒表面抗原形成的聚集體，P2為正常的乙肝病毒表面抗原組裝體。通過對溶劑環境的控制，可以抑制過程中產生的聚集體，提高過程的收率。

小型膜乳化器（MEM-15M）

中型膜乳化器（MEM-2L）

膜乳化技術原理圖

大型快速膜乳化器（FMEM-40L）

高通量膜乳化器（MEM-10L）

高通量膜乳化器運行原理

蛋白質藥物是生物制藥工業中發展最快、活力最強、技術含量最高的產品。基因工程疫苗也在快速地發展，成為防治傳染病和重大疾病的有力武器。所有這些發展都對蛋白質藥物制備過程的生產規模、效益、批量生產的安全性、有效性提出更高度要求。目前，中心已經建成疫苗分離純化技術平臺、基因工程藥物分離純化技術平臺、血液制品分離純化技術平臺三大技術平臺。在國家863計劃的支持下，中心與知名制藥企業合作，針對疫苗生產中出現的純度低、活性低、回收率低的難題，通過多角度激光、場流分級分離等先進的檢測與分析技術，掌握了疫苗為代表的多亞基蛋白質的失活和穩定規律，發展了疫苗分離純化技術和介質。針對乙肝疫苗多聚亞基蛋白質的特殊性，創新性地開發了集成化生產技術，包括專用介質的研制，溶液環境的選擇，過程工藝的連接，以及自動清潔化的生產。通過技術創新，將多亞基生物大分子的活性回收率較大幅度的提高，已經獲得國家發明專利授權10項，使我國乙肝疫苗的生產水平和產品水平達到國際領先水平。

5、高通量膜乳化器

2007年，中心自主開發研制了世界上第一臺電腦控制的大型膜乳化器，所有關鍵部件均由自主攻關、自行設計加工，用來制備尺寸均一可控的聚合物微球。在中國科學院重大裝備研制項目的支持下，中心進一步完善設計，成功開發了用于規模化生產高穩定性乳液的設備——高通量膜乳化器，解決了現有乳化設備無法生產穩定乳液的問題。膜乳化器采用自動加壓、自動乳化、自動后處理以及自動數據采集的全過程集成，通過該膜乳化器所制備的乳液液滴的粒徑分布系數（CV值）不超過20%。設備操作簡單，產生的乳液均一穩定（粒徑分布: 約±10%）；乳液和微球的粒徑可控（0.4～100mm以上）；制備過程平緩，能耗低，生物活性物質不易失活，乳滴穩定；制備過程易放大，現已達到了規模化生產的處理量（20L/h～100L/h）。

高通量膜乳化器實現了加料、乳液制備、乳滴質控、乳滴固化、微球后處理、數據管理一體化的全過程集成的自動化操作，可用于微球（分離介質）、微膠囊（藥物載體）、涂料、食品、化妝品等領域的微球、微膠囊制備，如聚苯乙烯多孔微球、聚甲基丙烯酸羥乙酯多孔微球、聚甲基丙烯酸縮水甘油酯多孔微球、殼聚糖微膠囊、瓊脂糖微球等多種產品。多孔微球產品已成功應用于紫杉醇、淫羊藿甙、多肽、蛋白質等生物活性物質的分離純化，并取得了優異的分離效果。

“尺寸均一、可控的乳液、微球和微囊制備技術”獲得了2009年“國家技術發明獎二等獎”，獲國家技術發明專利授權15項。

6、蛋白質層析系統和裝備

蛋白質層析工作站是一種快速分離多肽、核酸、蛋白質和天然產物等生化產品的全新液相層析系統，其配套的層析柱和方法模板可以進行凝膠過濾、離子交換、疏水層析和親水層析，快速完成多肽、核酸、蛋白質和天然產物的分離純化，包括已知和未知蛋白質的分離，高純度生物大分子藥物的制備等，實現從實驗室基礎研究到整個工藝方法的快速開發及放大。

研制的蛋白質層析工作站

多柱組合層析高通量蛋白質分離系統

蛋白質的高通量層析分離純化是蛋白質組學研究和蛋白質產品生產過程中的關鍵技術之一。在中科院重大科研裝備研制項目“多柱組合層析高通量蛋白質分離設備”的支持下，中心自主研發了4柱和12柱大型多柱組合層析分離純化設備，擁有自主知識產權，具有創新性和實用性，在蛋白質分離設備的國產化方面取得了突破，實現了高效、高通量分離純化蛋白質等生物大分子，計算機自動控制和高通量、高效率、多模式層析。該層析系統的研制成功，一方面解決了中心對各種蛋白質藥物和天然產物藥物進行分離純化的裝備所需，另一方面也可以為我國生物技術同行提供具有自主知識產權的蛋白質分離純化裝備，滿足國家和中科院蛋白質工程研究所需，提供一種高通量大規模制備蛋白質的平臺系統。目前中心正在將該成果進行推廣應用。

技術服務

蛋白質分析檢測服務：中心擁有多種蛋白質純化設備和分析檢測儀器，包括行業內普遍使用的等蛋白質層析工作站，可根據客戶要求進行目標蛋白質分離，過程放大，目標物檢測等服務；具有完備的檢測設備如色譜、質譜和光譜分析設備，包括HPLC-MS，MALDI-TOF MS，圓二色，FS熒光光譜、場流分級分析和多角度激光檢測等，可對分離出的目標物進行定性和定量的快速檢測；擁有一批具有豐富分離純化經驗的技術人員，可根據客戶需求純化毫克至百克級的蛋白質、酶、抗原、抗體等生物大分子。

層析介質定制：中心具有多年的分離純化介質研發經驗，成功開發了Ni、GST、肝素、蛋白A、藍膠等親和介質，DEAE、CM、SP、Q等離子交換介質和丁基、苯基等疏水層析介質。現可為客戶提供親和層析介質定制服務，可根據客戶需求偶聯不同的親和配基（多肽、蛋白質、抗原、抗體等），合成大規模應用所需的親和介質。

小分子純化：可為廣大客戶提供小分子純化服務，目標物可以是天然產物、多肽或合成小分子等；中心擁有多種分離純化設備和分析檢測儀器，如高效液相色譜安捷倫1200、島津LC-8A/LC-20A，液相色譜-質譜聯用儀，蒸發光散射檢測器、熒光檢測器等。同時，中心擁有一批具有豐富分離純化經驗的技術人員，可根據客戶需求純化毫克級至百克級的小分子。

多肽合成儀

多肽合成服務：采用化學合成方法制備多肽，可以對天然多肽的結構進行修飾，從而增加多肽與受體的親和力、選擇性，增強對酶降解的抵抗力或改善藥代動力學特性，甚至由受體的激動劑變為拮抗劑；以多肽固相合成和組合化學為基礎的組合肽庫合成技術，使得在短時間內獲得大量的多肽化合物成為可能，藥物篩選的效率不斷提高，將會有越來越多的化學合成多肽類化合物成為治療用藥物。中心具有多種多肽合成設備以及合成多肽的分離純化設備，可為客戶提供多肽合成服務、多肽分離以及規模化制備等。

掃描隧道顯微鏡

緩釋、控釋、長效藥物制劑的研究開發服務：主要從事緩釋、控釋、長效制劑的研究與開發，主要是微囊、微球、納米球的制備與載藥研究。為了實現微囊、微球、納米球的粒徑均一性和可控性，相關技術團隊主要采用直接膜乳化和快速膜乳化技術實現對粒徑和粒徑均一性的控制。目前制備微球、微囊和納米球所選用的載體材料包括殼聚糖、PLA/PLGA、海藻酸鹽、白蛋白等天然或合成的可降解材料，所制備的粒子粒徑從百納米到十幾微米可控，粒徑均一性好，粒徑分布的CV值在20%以下。利用這些粒子所開展的應用研究包括口服胰島素制劑、降糖藥物制劑、疫苗佐劑、腸靶向口服活菌制劑、靶向抗癌藥物制劑等。生物大分子界面吸附的綜合表征：具備完整的界面分析儀器，其中

包括：接觸角界面分析儀、生物大分子作用儀、石英晶體微天平、雙偏振界面分析儀、原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡等，可實現對蛋白質等生物大分子界面吸附行為的綜合表征。可表征數據包括：界面吸附量、界面吸附高度、界面吸附密度、界面分子形態。

液相色譜柱定制：中心可為廣大客戶提供分析、制備色譜分離所需的粒徑均一的各類填料，粒徑分布可控滿足客戶需求，并可定制不同尺寸不同分離規模的色譜柱。

此外，中心可為客戶提供膜乳化法微球制備、多種固定化載體及其固定化服務。微米級微球規模化制備，多孔微球制備，單眼微球制備，藥物包埋等。載體微球的粒徑為50納米到3毫米；可選擇載體材料包括：納米微載體、凝膠微球、多孔聚合物微球、多孔硅玻璃微球、單晶硅平板。考察不同尺寸、不同載體和不同配基的固載量和活性回收率，優化固定條件，考察穩定性、重復利用性和最佳固載條件。提供系列聚乙二醇修飾劑產品和修飾工藝，為客戶提供化學修飾多種蛋白質制劑的技術支持和產品服務。

展望

隨著人民生活水平的提高，人體健康、疾病預防受到前所未有的重視，越來越多的生物技術藥物急需產業化，另一方面，隨著工業生物技術迅速發展，人們對于用生物技術改造傳統產業、解決石油和其它礦產資源的枯竭問題、環境污染的加劇等問題寄予希望。國家生化工程技術研究中心（北京）的責任更加重大。

中心將積極推動中心現有產品的規模化放大工作，充分利用現有中試基地進行產業化過程放大，并與合作單位配合進行產品的評價和完善；抓好中關村開放實驗室的工作，積極與中關村科技園區內的企業展開合作，推進現有技術的產業化、市場化進程。持續加強中心人才隊伍的梯隊建設，為青年科技人員的成長提供良好的環境，發揮每一位人才的聰明才智和潛力，鍛煉其承擔科研任務、生產任務的能力；繼續招賢納士，建設產品開發和成果轉化的團隊；加強與國內外各科研機構、院校以及企業的合作，實現中心的可持續發展。此外，緊密合作，精密分工，強化宣傳、做好推廣、管理營銷、積極參加國內外相關技術交流會議及推廣會議，完善中心的產品線，加深國內外同行對中心的技術和產品的認識和了解，創造更多的合作機會和科學發展空間。