海洋生物技術是運用海洋生物學與工程學的原理和方法，利用海洋生物或生物代謝過程生產有用的生物製品或定向改良海洋生物遺傳特性的綜合性科學技術。海洋生物技術的基礎是分子生物學。它給海洋生物學家提供了通過改變遺傳分子，人工設計海洋生物性狀提供了可能。
基本介紹
- 中文名：海洋生物技術
- 外文名：Marine Biotechnology
- 基礎：分子生物學
- 原理和方法：海洋生物學與工程學
技術概述,研究現狀,前景展望,討論,
技術概述
海洋是地球上潛力最大的資源庫，它不僅能提供人類需要的優質蛋白質，還含有豐富的生物活性物質，是解決人類所面臨的食物、資源和環境三大難題的最佳出處。海洋生物技術通過遺傳操作和克隆技術不僅可以為水產養殖創造和提供優質、高產、抗逆新品種，而且還可以提供有機體用來生產天然產物或者用於生物修復改良海洋環境。海洋生物技術涉及到海洋生物的分子生物學、細胞生物學、發育生物學、生殖生物學、遺傳學、生物化學、微生物學，以及生物多樣性和海洋生態學等知識和內容。海洋生物技術的發展對推動海洋生物資源的開發和利用，為人類的生存和發展提供更廣闊的空間和美好的前景。
目前，海洋動植物養殖生物技術、海洋天然產物生物技術和海洋環境生物技術是當前海洋生物技術發展的3個主要方面。
研究現狀
海洋動植物養殖生物技術
海洋動植物養殖是海洋生物技術研究發展和套用的主要領域，目標是套用生物技術手段提高生物的繁殖、發育、生長、健康和整體狀況。目前優良品種選育、病害防治、種子保存、高效養殖技術是優先發展的領域。
採用基因工程、細胞工程等技術培育海水養殖生物新品種。主要包括多倍體的人工誘導、雌核發育和雄核發育等技術。採用種間雜交生物學方法、溫度休克和靜水壓物理學方法、細胞鬆弛素B、秋水仙鹼和聚乙二醇處理的化學方法誘導培育多倍體。採用雜交、射線處理和藥物處理誘導雌核發育成二倍體。目前，已有十幾種海產無脊椎動物的三倍體誘導成功，其中三倍體牡蠣在美國已套用於大規模生產。三倍體大西洋鮭、全雌牙鮃等海水魚培育技術也已較為成熟，並已套用到生產中。
海洋動物的轉基因一般採用顯微注射法、電穿孔法及精子載體法進行基因導入。導入的外源基因有：生長激素（GH）和抗凍蛋白（AFP）基因等，主要用於培育生長快的“超級魚”；增強海產魚、蝦、貝的抗逆性；研究其基因表達調控等。目前已涉及的轉基因動物有：海膽、魚類（鮭魚）、貝類（扇貝、牡蠣、鮑魚）和對蝦等。加拿大學者將抗凍蛋白基因和生長激素基因導入鮭魚體內並獲得整合表達，結果轉基因魚生長速度比對照組提高了4~6倍。
大型海藻的細胞和基因操作主要包括原生質體的分離、培養；聚乙二醇或電融合等方法誘導原生質體融合，獲得雜種細胞並培育得到再生植株，已分別在紫菜屬和江蘺屬等同屬異種間的細胞融合得到雜種細胞並再生成功。基因操作方面主要包括大型海藻質粒的發現和載體的開發、基因的結構與功能的探索、基因轉移系統的建立和基因的表達與調控機制的研究等。其中耐鹽基因和葉綠體基因是研究的熱點。
弄清海洋生物胚胎髮育、變態、成熟及繁殖各個環節的生理過程及其分子調控機理，不僅對於闡明海洋生物生長、發育與生殖的分子調控規律具有重要科學意義，而且對於套用生物技術手段，促進某種生物的生長發育及調控其生殖活動，提高水產養殖的質量和產量具有重要套用價值。因此，這方面的研究是近年來海洋生物技術領域的研究重點之一。主要包括：生長激素、生長因子、甲狀腺激素受體、促性腺激素、促性腺激素釋放激素、滲透壓調節激素、生殖抑制因子、卵母細胞最後成熟誘導因子、性別決定因子和性別特異基因等激素和調節因子的基因鑑定、克隆及表達，以及魚類胚胎幹細胞培養及定向分化等。
病原生物學與免疫隨著海洋環境逐漸惡化和海水養殖的規模化發展，病害問題已成為制約世界海水養殖業發展的瓶頸之一。開展病原生物致病機理、傳播途徑及其與宿主之間相互作用的研究，是研製有效防治技術的基礎；同時開展海水養殖生物分子免疫學和免疫遺傳學的研究，弄清海水魚、蝦、貝類的免疫機制，對於培育抗病養殖品種、有效防治養殖病害的發生具有重要意義。因此，病原生物學與免疫已成為當前海洋生物技術的重點研究領域之一，重點是病原微生物致病相關基因、海洋生物抗病相關基因的篩選、克隆，海洋無脊椎動物細胞系的建立、海洋生物免疫機制的探討、DNA疫苗研製等。
海洋天然產物生物技術
海洋天然生物活性物質是指海洋生物體內所含有的對生命現象具有影響的微量或少量物質，包括海洋藥用物質、生物信息物質、海洋生物毒素和生物功能材料等海洋生物體內的天然產物。
海洋生物活性物質的篩選是研究和開發海洋生物活性物質的第一步。傳統的篩選方法是利用實驗動物或其組織器官對某種化合物或混合物進行逐一的試驗，速度慢，效率低，費用高。近年來，隨著科學技術的發展，活性物質篩選逐步趨向系統化、規模化、規範化，特別是分子生物學技術的發展，使得活性物質的篩選技術有了很大的改進。目前國際上發明了以分子水平的藥物模型為基礎的大規模篩選技術，即使用生命活動中具有重要作用的受體、酶、離子通道、核酸等生物分子作為大規模篩選中的作用靶點來進行活性物質的篩選，這些方法具有簡便、快速、命中率高、費用低等優點，有的還可以用機器人進行操作。目前國內對海洋生物活性物質的篩選主要還是使用傳統的方法。
在利用生物技術培養生源材料方面，目前國際上對生物技術在海洋生物活性物質研究和開發中套用研究得最多的是基因工程，即通過分離、克隆活性物質的基因，轉入高效、廉價表達系統進行生產，以獲得大量高質量的產物[8]。在醫藥研究領域，基因工程在多肽和蛋白質、單克隆抗體及新型診斷試劑上的研究和開發，是現代生物技術影響最大、效益最好、發展最快的領域。以美國為例，美國食品藥品局（FDA）準上市的基因工程藥物、疫苗和注射用單克隆抗體已經達到39種，尚有10多種產品正待FDA批准，還有300多種生物製劑正在進行或完成臨床試驗。另有2000多種藥品處於研製階段，預計每年平均有5~8種產品投放市場。各類生物技術公司1000多家，形成規模生產的有20多家，基因工程藥物銷售額每年年增長20%以上。
研究表明，海洋生物活性物質的初始來源，大部分甚至全部來自海洋微藻和微生物等低等海洋生物。利用生物反應器培養微藻開發海洋生物活性物質，也是世界上的一個研究熱點。從廣義上講，用敞開的水池培養微藻也是一種生物反應器技術，但其效率比較低。研究較多的是，利用封閉的光生物反應器來培養微藻，但這項技術目前還未達到大規模實用化的階段，有些海洋異養微藻可以通過發酵進行培養。美國公司利用發酵法培養異養微藻，生產EPA和DHA，已經達到工業化生產的階段。國外從耐寒、耐高溫、耐高壓和耐高鹽度的海洋微生物中，分離出了一些特殊的酶類，如：對熱穩定的DNA聚合酶、在組織培養中有分散細胞作用的膠原酶、能催化鹵素進入代謝產物中的鹵素過氧化物酶等等。國內套用生物技術進行海洋生物活性物質的研究和開發，也做了不少工作。其中利用基因工程技術開發海洋蛋白類藥物起步較快，先後開展了海葵毒素、鯊魚軟骨蛋白、芋螺毒素、降鈣素等藥用基因克隆與表達的研究，已形成了一定的優勢。從總體來看，還是處於剛剛開始的階段。
海洋環境生物技術
近年來海水養殖業迅速發展，但是，隨之而來的近岸海水的污染日趨嚴重，養殖生態環境遭到嚴重破壞，爆發性病害頻繁發生，給整個水產養殖業造成巨大的經濟損失。養殖環境的惡化，已經成為制約我國海水養殖業健康持續發展的關鍵因素，而傳統的機械清淤、化學降解、換水、大量使用抗生素等養殖環境淨化方法，有淨化不徹底、易產生二次污染、危害養殖功能、破壞生態平衡等缺點。因此，急需尋求一種行之有效、操作性強的海水養殖環境修複方法與技術，來保持水產養殖業持續、穩定、健康發展。
利用生物技術保護海洋環境、治理污染，使海洋生態系統生物生產過程更加有效，是一個相對比較新的套用發展領域，因此，無論是從技術開發，還是產業發展的角度看，它都有巨大的潛力有待挖掘出來。目前已涉及到的研究主要包括生物修復（如生物降解和富集、固定有毒物質技術等）、防生物附著、生態毒理、環境適應和共生等。有關國家把“生物修復”作為海洋生態環境保護及其產業可持續發展的重要生物工程手段，美國和加拿大聯合制定了海洋環境生物修復計畫，進而推動該技術的套用與發展。
有益微生物在水產養殖中的套用研究也方興未艾，國內外很多學者已成功地分離到可抑制病原菌、可促進養殖生物生長的菌株，有些已實現了商品化，在美國、日本和歐洲等地的已開發國家及印度尼西亞、泰國等的水產養殖上得到越來越廣泛的套用。
前景展望
海洋動植物養殖生物技術
病害是困擾我國海水養殖業發展的最大問題。究其原因，主要是對病原的分子本質認識不足。基因工程技術的發展為人類認識病原基因的結構和功能、闡明病害的發生機理提供了手段，從而為徹底防治病害開闢了新的途徑。
基因組學與基因轉移隨著全球性基因組計畫尤其是人類基因組計畫的實施，各種生物的結構基因組和功能基因組的研究成為生命科學的重點研究內容，海洋生物的基因組研究，特別是功能基因組學研究自然成為海洋生物學工作者研究的新熱點。今後的研究重點是對有代表性的海洋生物（包括魚、蝦、貝及病原微生物和病毒）基因組進行全序列測定，同時進行特定功能基因，如藥物基因、酶基因、激素多肽基因、抗病基因和耐鹽基因等的克隆和功能分析。在此基礎上，基因轉移作為海洋生物遺傳改良、培育快速生長和抗逆優良品種的有效技術手段，已成為該領域套用技術研究發展的重點。研究重點集中在目標基因篩選，如抗病基因、胰島素樣生長因子基因及綠色螢光蛋白基因等作為目標基因；大批量、高效轉基因方法也是基因轉移研究的重點方面，除傳統的顯微注射法、基因槍法和精子攜帶法，目前已發展的逆轉錄病毒介導法、電穿孔法、轉座子介導法及胚胎細胞介導法以外，還需要研究更為先進、可靠的新技術和方法。
海洋天然產物生物技術
利用海洋生物活性物質和生物技術手段，為藥品、高分子材料、酶、疫苗和診斷試劑等開發新一代化學品和工藝，是海洋生物技術產業發展的一個重要方面。天然產物開發、酶開發利用和脂肪酸生產是目前關注較多、發展較快的技術專題。尋找最現代的方法分離活性物質、測定分子組成和結構、生物合成方式和檢測生物活性是海洋天然產物開發的重要研究內容。海洋酶資源及其特徵、酶分離的生物化學以及商業套用前景等都是最重要的研究內容。今後的研究重點包括抗腫瘤藥物、工業酶及其它特殊用途酶類、極端微生物中特定功能基因的篩選、抗微生物活性物質、抗生殖藥物、免疫增強物質、抗氧化劑及產業化生產等。
海洋環境生物技術
該領域今後的研究重點是海洋生物修復技術的開發與套用。生物修復技術是比生物降解含義更為廣泛，又以生物降解為重點的海洋環境生物技術。其方法主要是利用有機體或其製作產品降解污染物，減少毒性或轉化為無毒產品，富集和固定有毒物質（包括重金屬等），大尺度的生物修復還包括生態系統中的生態調控等。套用領域包括水產規模化養殖和工廠化養殖、石油污染、重金屬污染、城市排污以及海洋其他廢物（水）處理。微生物對環境反應的動力學機制、降解過程的生化機理、生物感測器、海洋微生物之間以及與其它生物之間的共生關係和互利機制，抗附著物質的分離純化等是該領域的重要研究內容。
討論
海洋生物技術作為一個全新的學科，將成為21世紀海洋研究開發的重要領域。促進海洋水產養殖業在優良品種培育、病害防治、規模化生產等方面研究水平快速發展，對於海洋生物資源可持續利用具有重要現實意義。利用海洋生物技術探索開發海洋高附加值的新資源，促進海洋新藥、高分子材料和功能特殊的海洋生物活性物質產業化開發是海洋生物資源利用的拓展和延伸。海洋環境生物技術是保證海洋環境可持續利用和產業可持續發展的基礎。總之，海洋生物技術就是利用海洋環境特殊性和生物多樣性特徵，從分子和細胞水平上，即從高技術水平上多層面地開發利用海洋生物個體資源、遺傳資源和天然產物資源，那么與此相關的基礎研究就顯得十分重要。
我國海洋生物技術研究發展經過幾年的醞釀和努力，作為海洋高技術領域的一個重要主題，於1996年正式進入國家高技術研究發展計畫，1997年順利通過了主題研究發展計畫的可行性論證，並發布了1997~2000年項目申請指南。在我國海洋生物技術發展過程中需要有多方面支持和配合，既需要加強中試基地和產業化基地建設，也需要加強基礎設施建設，如加強開放實驗室、研究基地、生物多樣性資源庫、種子庫、信息資料庫的建設，這些措施對我國海洋生物技術向更高水平發展具有深遠意義。
