生物工程
生物工程（Bioengineering / Biological Engineering），又称生物技术工程，是一门将工程学的原理（如设计、分析、构建、标准化）应用于生物学系统的交叉学科。它不仅仅是利用生物体生产产品，更核心的目标是设计和构建新的生物功能或系统，以及利用生物学机制解决医学、农业、能源和环境领域的工程问题。传统上，生物工程在中国主要涵盖四大支柱：基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程。随着技术的发展，合成生物学和组织工程等前沿领域正在重新定义这一学科的边界，使其从“认识生命”向“改造生命”和“创造生命”迈进。
四大基础工程 (The Four Pillars)
在生物工程的经典分类中，以下四个领域构成了其技术骨架，它们通常上下游贯通，协同工作。
| 工程名称 | 核心技术 (Core Tech) | 典型应用 |
|---|---|---|
| 1. 基因工程 (Genetic Eng.) |
上游核心。利用 CRISPR、限制性内切酶、连接酶等工具，对 DNA 进行体外剪切、拼接和重组。 | 转基因作物 (抗虫棉)、重组胰岛素、基因治疗载体。 |
| 2. 细胞工程 (Cell Eng.) |
在细胞水平上进行操作。包括细胞融合、核移植、干细胞培养、杂交瘤技术。 | 单克隆抗体 (PD-1)、试管婴儿、克隆动物 (多莉羊)。 |
| 3. 酶工程 (Enzyme Eng.) |
酶的固定化、修饰和改造。利用 定向进化 提高酶的稳定性或改变其催化特性。 | 生物洗涤剂、高果糖浆、手性药物拆分、生物传感器。 |
| 4. 发酵工程 (Fermentation Eng.) |
下游关键。即生物过程工程 (Bioprocess)。涉及微生物的大规模培养、生物反应器设计及产物分离纯化。 | 青霉素生产、啤酒酿造、味精、生物燃料。 |
前沿分支：迈向再生与创造
组织工程 (Tissue Engineering)
定义： 结合细胞、工程材料（支架）和生化因子，旨在修复、维持或改善生物组织功能。
三要素：
- 种子细胞： 如诱导多能干细胞 (iPSC)、间充质干细胞。
- 生物支架 (Scaffold)： 提供细胞附着的三维空间，如胶原蛋白、PLGA、3D生物打印材料。
- 生长因子： 诱导细胞分化和血管化。
组织工程三要素：细胞+支架+信号
生物医学工程 (Biomedical Engineering, BME)
虽然常与生物工程混用，但 BME 更侧重于医疗器械和诊断设备的研发，如人工心脏、心脏起搏器、MRI 成像设备、生物芯片等。它是工程学原理在临床医学中的直接应用。
🏭 产业影响：生物经济 (Bioeconomy)
生物工程正在推动全球从“石油经济”向“生物经济”转型。
1. 生物制造： 利用细胞工厂生产塑料（PHA）、尼龙、橡胶，减少碳排放。
2. 人造肉： 利用组织工程培养肉类，变革农业模式。
3. 精准医疗： 基因测序与编辑带来的个性化治疗方案。
学术参考文献
[1] Langer R, Vacanti J. (1993). Tissue engineering. Science. 1993;260(5110):920-926.
[奠基之作]：正式提出了“组织工程”的概念，Robert Langer 被誉为组织工程之父。
[2] Endy D. (2005). Foundations for engineering biology. Nature. 2005;438(7067):449-453.
[工程思想]：定义了生物工程的标准化、解耦和抽象化原则，是合成生物学的纲领性文献。
[3] Nielsen J. (2001). Metabolic engineering. Applied Microbiology and Biotechnology.
[发酵工业]：阐述了如何通过代谢工程手段改造微生物，以实现化学品的高效工业化生产。