生物工程

中文名称: 生物工程

英文名称: Bioengineering

编写成员: 生物学、生物工程学科评议组

(一)学科概况

生物工程是一门以人类生物产品需求为导向，融合生物学、化学、物理学、计算机科学和工程学等的理论和方法，系统性地设计、优化和改造生物体系与功能，开发出新技术、新产品和新流程，推动生物产业健康发展，聚焦于利用生物过程大规模生产出各种对人类有益的生物产品或达到某种目的的新兴综合性学科。其任务是将生命科学的研究发现转化为实际产品或规模化过程或系统，以满足社会需求。

生物工程因其独特的研究对象而有别于其他相关学科，比如以人体医学应用或食品为目标的生物医学工程和食品科学与工程等。生物工程的学科特点如下:一是借助于工程科学与技术，以生命科学研究成果为对象，以实现成果转化和应用为基本任务，从而使该学科具有明显工程化和产业化特征;二是通过基于生物学原理的创造和设计，紧密结合工程学的技术手段，大规模生产出各种对人类有益的生物产品或达到某种目的，具有应用技能与理论设计、创造融合的学科特质;三是该学科在当代科学技术发展中广泛融合生命科学、化学以及物理学理论和工程技术问题，是基础科学与工程技术交叉最为活跃的学科之一。

生物工程产业随着20世纪40年代起抗生素、氨基酸、有机酸、酶制剂等的工业化生产而逐步形成，早期以发酵产业为主。自20世纪70年代以基因重组技术和单克隆抗体技术为代表的现代生物技术的形成起，为解决随之产生的工程与技术问题，生物工程进入了一个新的发展阶段，逐渐形成了发酵工程、细胞工程、酶工程、基因工程等研究理论与方法，生物工程逐渐成为一个独立的学科，并随着生命科学的发展而迅速发展。21世纪以来，伴随着基因编辑、蛋白定向进化、单细胞测序、大数据分析、人工智能、合成基因组、DNA存储等新兴生物技术革命，进一步形成了以整体思维和工程化设计为特征的系统生物学和合成生物学，开启了生物工程可定量、可计算、可预测及工程化的“会聚“式研究新时代。生物工程正在成为发展最快、应用最广潜力最大、竞争最为激烈的领域之一，也是最有希望孕育关键性突破的学科之一。而生物工程产业作为一个正在崛起的主导性产业，已成为产业结构调整的战略重点和新的经济增长点，将成为我国赶超世界发达国家生产力水平，实现后发优势和跨越式发展最有前途、最有希望的产业领域之一

生物工程可辐射到医药、化工、能源、食品、农业、材料、轻工、环保等多个行业，是一个带动性、渗透性很强的综合技术体系;是促进传统产业绿色、循环、低碳转型升级，提升我国工业制造竞争力的重要支撑，引领未来生物经济可持续发展的重要引擎。发展生物工程学科对于我国构建新经济业态、保障国家经济与国防安全、保护环境、满足人民美好生活愿望具有不可替代的重要意义。

(二)学科内涵

1.研究对象

生物学及其相关科学技术的发展已经直接关系到人类所面临的粮食、健康、人口、资源和环境等重大问题的解决。生物工程学科的核心是研究和开发基于生物学理论基础的系统工程技术问题。本学科的主要特征是利用细胞或酶特有的代谢和转化特性进行物质的加工与转化，运用现代生物技术对生物体与生物分子进行改造，建立优化的生物过程与工艺，实现先进生物制

生物工程的服务对象遍及医药、食品、化工、能源、轻工、材料、环保等各个领域。随着基因工程药物、基因治疗、转基因作物、生物材料、生物能源等一大批高科技含量的产品在市场显露出强大生命力，生物工程产生了巨大的社会效益和商业价值，促进了传统产业绿色、循环、低碳转型升级成为提升我国工业制造竞争力的重要支撑，以及引领未来生物经济可持续发展的重要引擎。

2.理论

生物工程作为新兴的生物学和工程学的交叉学科，在生物学、物理学化学和工程学的基础上，其理论体系发展迅速，除了基因工程、酶(蛋白质)工程、细胞工程、发酵工程等理论与方法，还新产生了代谢工程、生物过程工程、合成生物工程、生物产品工程等理论和技术体系，并在不断完善和不断发展。生物工程强调各学科的相互融合交叉，并具有自身独特内涵的理论技术，如环境生物工程、农业生物工程、医药生物工程、工业生物工程等，这些都是生物工程理论的重要组成部分。

3.知识基础

支撑生物工程学科体系的知识基础是生物学、物理学、化学和工程学主要包括生物化学、分子生物学、细胞生物学、微生物学、遗传学、有机化学、分析化学、计算机技术、化学工程技术、生物信息学、计算生物学等分支学科知识。在此基础上形成了生物工程学科的专业知识，如基因工程、发酵工程、酶工程、细胞工程、代谢工程、生物化学工程、系统生物学、生物分离技术、纳米生物技术等。因生物工程和应用领域相互融合交叉的加强，材料工程、环境工程、制药工程、食品工程等知识对生物工程学科发展也非常重要。

4.研究方法

生物工程学科旨在利用工程学技术和现代生物技术，以基因工程、酶蛋白质)工程、代谢工程、生物过程工程、动植物细胞工程、微生物发酵工程、合成生物工程和生物产品工程为主要学科，实现生物工程产品创制及生物过程工艺优化放大。

生物工程学科的研究方法主要包括:观察、比较、实验、测量、计算和系统性的研究方法。观察、比较、实验是经典的生物学研究方法，同样适用于生物工程学科。同时，生物工程也较多采用测量、计算和系统性的研究方法。随着理论和技术的进步，生物工程学科的研究方法正向着系统、定量、实时、多参数多层次结合、精确深度干预及人工智能模拟等方向迅速发展通过基于生物学原理的创造和设计，对生命有机体按照预先设计的蓝图，在分子、细胞、组织和个体等不同层次上进行新的构思，结合工程学科的技术，在多学科有机整合的基础上，运用系统工程理论和方法，实现生物产品的大规模生产或达到环境生物治理等特定目的。

(三)学科范围

生物工程一级学科设有11个二级学科:

1.基因工程:是通过特定技术手段直接操作和改变有机体遗传物质并表达出新的性状，获得新的生物品种、生产新产品的学科。研究内容包括:DNA重组、基因编辑、RNA编辑、微生物基因工程、植物基因工程、动物基因工程等。基因工程广泛用于化学品、药物(如人生长激素、胰岛素、干扰素等)、疫苗等生物制品的生产，以及基因治疗、细胞免疫治疗、转基因植物分子育种、转基因动物等领域。

2.酶(蛋白质)工程:是通过筛选、改造或从头设计等策略开发有应用价值的酶(蛋白质)生物制品，利用酶的生物催化功能并借助工程手段将相应的底物原料转化成有用物质的学科。研究内容包括:蛋白质结构解析、构效关系和智能预测，蛋白质分子设计、改造和定向进化，蛋白质分离纯化、修饰和固定化，酶催化反应热动力学分析、过程设计和优化调控等。酶(蛋白质)工程不仅广泛应用于医药、食品、农药、化学品以及材料等产品的绿色制造，还包括抗体等大分子药物的筛选和结构优化以及基于人工蛋白的疫苗开发、功能分子的高效精准组装等领域。

3.代谢工程:是在定量表征活细胞代谢物的基础上，利用分子生物学技术手段，定向改造和优化细胞内相应酶分子及代谢路径、代谢网络，从而提升细胞性能和高产定制化产品的学科。研究内容主要包括:细胞代谢及其调节方式、生化反应质量平衡、代谢模型构建、代谢通量分析、代谢控制分析、多组学分析、代谢途径改造和重构、进化工程等。代谢工程极大拓展了生物合成的广度和深度，深化了天然代谢产物在医药、食品、化工等相关领域的应用。

4.生物过程工程:是将生物技术的实验室研究成果经过过程工艺及相关设备开发，高效富集、分离、纯化制备目标产品，成为工业生物产品的规模化制备工艺与技术的学科。研究内容包括:生物反应粗原料的预处理工艺、生物催化剂(酶及细胞)的制备工艺、生物反应器的设计和操作工艺、生物化工产品的分离纯化和精制工艺、生物工程设备设计及应用、以及上述过程的工艺放大理论和集成化技术。研究对象不仅包括传统的微生物、动植物细胞，也涵盖干细胞、基因改造的各种微生物及动植物细胞。生物过程工程为生物医药、生物能源、生物化工、食品工业及环境废弃物的资源化利用等行业领域提供理论与技术支撑，是生物工程实现产业化的重要基础，服务于现代人类社会的资源、能源和健康等迫切需求。

5.动植物细胞工程:是以细胞为对象，应用生命科学理论，借助工程学原理与技术，有目的地利用或改造生物遗传性状，以获得特定的细胞、组织产品或新型物种的学科。研究对象可以是完整的细胞、组织、器官、胚胎，也可以是原生质体、细胞核、染色体、细胞器等。研究内容包括:植物组织培养、体外受精动物、核移植动物、染色体工程、胚胎工程、细胞融合与单克隆抗体、动植物细胞培养、细胞改造与细胞工厂、转基因生物反应器、干细胞工程、组织修复与人造器官等。细胞工程可用于高效生产抗体、疫苗、重组蛋白药物、组织工程器官等，助力解决现代人类社会发展所面临的医药、农业、资源、环境、能源等问题。

6.微生物发酵工程:是采用现代工程技术手段，利用单一微生物或微生物组的特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的学科。微生物工程是生物技术产业化的关键领域之一，研究内容有:微生物菌种的选育、微生物组功能开发与应用、培养基设计与灭菌、工艺过程优化与放大、产品分离提取，以及生物反应器设计与智能控制等方面，为农业、医药、化工、食品及环保等领域的发展提供强有力的技术支撑。

7.合成生物工程:是在解析生物系统组成及其相互关系与动态变化规律等基础上，依托生物信息学与多组学技术，以工程化设计的理念，利用计算模拟和基因操作等技术，优化现有生物体系和定向设计合成新生物体(系)。合成生物工程是将计算生物学、系统生物学、分子生物学、合成化学等融入工程理念形成的综合性交叉学科。研究内容包括:多组学解析与生物信息学分析、元件工程、基因回路工程、代谢网络模拟与重构、DNA组装、底盘工程、基因组合成、微生物组合成等。合成生物工程是生物工程的重要基石支撑和新兴方向，为解决健康、能源、粮食、环境等实际问题提供了新的解决方案，提升生物产业核心竞争力。

8.材料生物工程:是以生物化学工程、材料科学为支撑，将生物质原料通过生物转化或化学衍生化方式生产材料单体、高分子材料、助剂或生物复合材料的学科。研究内容包括:面向生物基材料、单体、助剂等制备的酶或菌种的发现与改造，材料聚合度的精准控制，无机有机复合材料、分子衍生化结构设计、筛选及功能化平台构筑，生物或化学高效催化与过程强化技术、产品性能调控、制备工艺优化与中试放大等。生物材料工程可为碳中和、石化材料产业结构调整与补充、环境保护、医学应用等提供原料和技术支持。

9.能源生物工程:是采用现代生物工程技术定向地改造生物体或其功能以实现能源的收集、转化、存储以及能源产品的生产和高效利用的新兴学科。研究内容包括:光合生物制造技术、一碳化合物生物转化、生物能源产品(如乙醇汽油、生物柴油、生物航煤、甲烷、氢气等)的合成、生物质资源的生物利用和高值转化、生物电催化、生物燃料电池等。能源生物工程是生物工程与能源工程的学科交叉点，为能源绿色转型提供基于生物工程的技术方法、工艺路线和工程化方案，是实现社会经济可持续发展、成碳达峰与碳中和目标的关键支撑学科。

10.环境生物工程:是利用天然生物资源和采用现代生物技术解决环境工程与废弃物资源化再利用问题的学科。主要研究内容包括:资源与环境生物的设计与改造、污染环境生物修复、废弃物的生物转化与高效循环利用等。环境生物工程瞄准生物资源的高效与可持续利用和生态环境安全的重大需求，为实现绿色环保、可持续型社会提供理论和技术支持。

11.医药生物工程:是结合工程学、信息学和生物技术手段，致力于防病、治病和健康的新兴学科。研究内容包括:大分子药物、小分子药物等合成途径设计、生产过程强化、高效分离纯化、活性评价及药物规范化质量标准研究，安全、健康、生物相容性好的生物医药材料制品开发、功能研究和高效制备，高端疫苗、生物诊断试剂等创新药的研究、开发和制备。生物医药工程将推动生物、健康产业和医学研究的发展。

(四)培养目标

1.硕士学位:具备较强的思想政治素养。了解现代生命科学及相关工程科学的现状和发展趋势，具有一定创新能力和团队精神，具有从事生物工程方面的科学研究和解决实际工艺与工程技术问题的能力;能够从事新技术与新产品研发，可胜任生物工程相关企事业单位的专业性和管理类工作，也可进一步攻读相关学科的博士学位。

2.博士学位:具备较强的思想政治素养。熟悉现代生命科学及相关工程科学的现状和发展趋势，具有较强创新能力和团队精神，能独立从事生物工程方面的科学研究、解决实际工艺与工程技术问题，并在本学科某一领域或方向有深入研究。是能够承担高等院校、科研院所、企业和相关领域的教学科研和产业技术研发及管理的高端创新型或工程型人才。

(五)相关学科

与生物工程相关的一级学科主要有生物学、化学、药学、化学工程与技术、轻工技术与工程、环境科学与工程、生物医学工程、食品科学与工程等。