天津市生物与制药工程重点实验室
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根据国际生物分子工程学科的发展趋势及天津大学已有的基础及优势，同时结合我国科学发展的国际目标，天津大学生物与制药工程实验室(Tianjin Key laboratory of Biological and Pharmaceutical Engineering) 在分子水平上研究生物技术和制药工程技术，形成了生物信息与分子细胞生物学、生物分离工程、生物反应与代谢工程、生物制药与现代中药工程四个研究方向，努力在5-10年内各研究方向达到国内领先水平，部分研究领域达到国际先进水平，并且努力申报成为国家重点实验室。
1.1 生物信息学与细胞分子生物学
本学科生物信息学方面是以数学和计算机为工具，通过分析基因组序列来研究基因产物的结构和功能，并在此基础上开展药物设计与开发。本方向研究开创了在国内外独具特色的DNA序列分析的Z曲线理论。其在微生物全基因组的基因识别和基因注释方面将会有重点突破。在重点研究模式生物酵母的分子生物学、细胞生物学、遗传学及功能基因组学的基础上，开发可供药物筛选和基因功能研究的酵母模型，以此模型研究与重要疾病相关的人类功能基因及蛋白质的结构和功能，开发生物新药。本方向从基因识别、蛋白质结构预测、基于结构的药物设计、蛋白质功能预测及功能与疾病的相互关系分析，进行“一条龙”式的研究，在上述几个方面都可能取得突破。本方向学术带头人为张春霆院士。
1.2 生物分离工程
本研究方向主要包括以下两方面内容：
1.2.1 生物大分子分离理论和技术：系统研究了蛋白质离子交换的空间质量作用模型，并提出了色素配基亲和吸附和疏水性吸附的空间质量作用吸附平衡理论;采用分子动力学模拟方法，研究了蛋白质分子在吸附过程中的结构变化，从本质上揭示了蛋白质分子的吸附机理;研究了蛋白质吸附密度与固相扩散系数的关系，以及亲和配基密度对扩散系数的影响，发展了蛋白质吸附动力学理论和多组分制备层析分离过程理论;提出利用纳米双分子膜聚合脂质体研制亲和吸附载体，开发了亲和沉淀和亲和超滤等高选择性快速蛋白质亲和分离技术;发现生物相容性亲和反胶团系统，实现了蛋白质的大容量高选择性萃取分离，开发了亲和反胶团膜分配层析技术和设备;开发成功新型蛋白质修饰剂，在血液人工代用品纯化和改性方面取得成功刚性双孔道吸附介质，利用该介质可显著提高了生物大分子的动态吸附容量和层析分离效率;另外，研制成功超大孔介质、新型磁性介质、表面薄层介质和连续床介质等一系列新型层析固定相，为生物大分子吸附分离理论的发展和新技术的开发奠定了基础，目前已在膨胀床层析、连续床层析和磁性分离研究领域取得阶段性成果。
1.2.2 蛋白质复性技术和理论：研究了分子伴侣辅助蛋白质复性，开发了固定化分子伴侣色谱辅助蛋白质复性方法，建立了复性动力学模型和复性色谱过程理论;系统研究了蛋白质复性过程动力学行为，以溶菌酶为模型蛋白质，建立了各种复性过程的动力学模型，分析了变性剂浓度、辅助因子以及酶浓度对动力学行为和动力学参数的影响;开发了人工伴侣辅助蛋白质复性方法，发现了人工伴侣与变性剂对促进蛋白质复性的协同效应。开发了人工伴侣色谱辅助蛋白质连续复性新技术，实现了高浓度蛋白质的高收率复性，为基因工程蛋白质的分离纯化技术的的建立奠定了基础。
在上述研究工作的基础上，本研究方向将深入开展蛋白质吸附平衡和固相扩散传质动力学的理论研究，开发蛋白质分离和复性新技术。同时进一步拓展研究领域，开展质粒DNA和病毒等基因治疗载体类纳米生物粒子分离的应用基础研究，其中包括快速膨胀床吸附介质和层析过程理论、分子印迹技术、连续磁性分离方法和磁稳定快速流化床吸附等。争取在如下领域取得重要突破：
(1)技术成果：纳米生物粒子的高效吸附介质的制备技术;生物大分子和生物纳米粒子的分子印迹技术;高效快速的纳米生物粒子集成分离纯化技术;高浓度蛋白质连续复性技术。
(2)理论成果：蛋白质和DNA吸附平衡和固相扩散传质理论;磁性分离理论和过程优化;快速膨胀床层析过程理论和过程优化;蛋白质连续复性过程理论。本方向主要学术带头人为长江学者孙彦教授。
1.3 生物反应与代谢工程
本方向的主要研究内容如下：
1.3.1 代谢工程：
主要内容：细胞内的代谢活动是由上千个以上的生物反应所组成。由于长期自然进化的结果，细胞代谢网络仅以适合其生存为最优，但人们所希望的是细胞能生产更多有用产品。为此，我们在先前研究发酵过程生物反应动力学基础上，目前着重利用基因组信息深入研究胞内生物反应，对胞内代谢通量进行量化，对代谢途径中的刚性节点进行识别，进行代谢网络优化，通过代谢工程对细胞内代谢途径进行定向有目的地改变以更好理解和利用细胞代谢网络进行化学转化、能量和信息转导及超分子组装。研究物系涉及枯草杆菌(生产维生素、酶制剂等)、霉菌(生产有机酸等)、大肠杆菌(生产蛋白药物)。
特色及可能的突破：在继续进行菌种诱变与筛选的同时，通过代谢工程可在细胞与分子水平上认识与改造细胞过程，其不仅在揭示细胞生理特性上有重要科学意义，而且其潜在的应用跨越了生物技术的广泛领域，包括新过程新产品的创造及现有过程的改进。代谢工程本质上是对菌体细胞的基因治疗。本研究工作可望在改进已有化学物质的生产、扩大菌体生长及产物生成所能利用的原料范围、提高对有毒物质的降解能力等方面有大的突破。
1.3.2 生物反应器工程
主要内容：生物反应器是为细胞提供良好的生长和代谢活动的环境，是把实验室成果转化为工业生产的关键。生物反应器的模型模拟、设计、放大和操作控制及优化是本研究的主要内容，目标是提高产品收率和质量，降低原料和能量消耗。结合多种生物物系考察生物反应器中微环境条件对反应器性能的影响，从而优化发酵工艺，提高反应器效率及产品收率。采用流动-跟踪技术进行间歇搅拌生物反应器内流动混合性能的测定表征与结构模型建立，通过规模缩小法进行冷模及发酵物系研究，用所建立的流体结构模型和生化反应动力学模型进行模型模拟及放大验证。“九五”攻关35吨罐基因工程菌发酵已放大成功。99年与企业合作对体积为1500m3乙醇发酵侧入式搅拌罐改造成功。
特色及可能的突破：采用先进测试技术，对生物反应器的流型进行测定与表征，在模型模拟的基础上进行放大。结合多种生物反应器，可望在缩小-放大法上取得重要突破。
1.3.3 生态生物加工工程
主要内容：运用“整体、协调、循环、再生”的生态工程原理，在国内率先开展了“生态生物加工工程”研究新领域，结合我国酒精发酵生产进行典型示范研究，并特别注重技术、经济及生态三方面的评价。所承担的国家“十五”年产十万吨生物燃料乙醇示范工程于2001年3月底开车成功，4月15日在中央电视台新闻联播以此为背景做了专门报导。
特色及可能的突破：符合生态工程原理及可持续发展战略。可望在利用可再生资源、通过化学生物技术建设“生物炼制厂”(Biorefinery)21世纪生态生物产业上起示范作用。本方向主要学术带头人为化工学院原院长赵学明教授。
1.4 生物制药与现代中药工程
本方向主要的研究工作主要如下：
1.4.1 在天然药物制药工程方面
(1)针对紫杉醇水溶性差和药源短缺问题——致力于研究紫杉醇类和多烯紫杉醇的半合成方法，完成多烯紫杉醇申报国家四类新药，可望获得多烯紫杉醇原料药和注射剂国家新药证书;将多年形成的紫杉醇和多烯紫杉醇成果走产学研结合，促进成果转化，为社会产生重大经济和社会效益;进一步研究亲水纳米紫杉醇注射剂，达到能够很快把药物运送到病原部位，解决非或低水溶性药物在体内转运困难、有效利用率低的问题，研制基于DDS的紫杉醇水溶性制剂。(2)通过大量筛选工作，从近2000个土样中获得一株抗农作物病害的微生物，并初步确定其中活性成分是具有明确抗真菌和抗革蓝氏阳性菌活性的两个新天然化合物(先导化合物)，表明具有独立知识产权，国际和国内发明专利两项;这类抗生素具有高效、低毒、无污染、无残留等优点，正进行绿色生物农药的研制，申报新药证书，将可替代目前有机合成的抗真菌化学农药，这一绿色生物农药的研制对发展绿色食品和低残留现代中药具有重大价值。(3)充分利用现代化工科学技术，研制中药现代化关键的提取、分离、制剂及生产过程控制技术，在生产工艺技术和装备水平上实现中药技术提升，将进入“十五”国家现代中药产业化专项，最终形成现代中药工程研究中心。
1.4.2 在细胞培养制药工程领域
以细胞培养生产高效抗癌药紫杉醇为例，进行适应细胞生理特性的大规模细胞培养过程研究;研究细胞培养代谢过程与生化反应器设计及操作的关系,得到细胞大规模培养放大依据与模型;研究细胞死亡动力学，细胞死亡过程与次生代谢产物表达的关系，寻找调控次生代谢产物高效表达的方法，在细胞和分子水平深入探讨凋亡和信号转导与次生代谢产物表达的关系，获得在细胞和分子水平解决工程问题的知识，争取在细胞培养生产药物基础理论上方面有所突破。
1.4.3 在基因工程药物方面
在已建立的基因工程药物中试室(GHP)基础上，开展基因工程药物的中试工艺研究，重点研究高密度培养、蛋白质变性于复性、大规模培养过程的质粒稳定性，通过组合优化多种现代分离纯化手段，以高效率高质量生产基因工程药物为目标。同时开展应用基因工程方法合成新的蛋白药物以及相关过程工艺的研究与开发，目前研究课题有乙肝新药胸腺素A1工艺研究，与美国哈佛大学医学院合作研究开发基因工程药物等。
1.4.4 现代中药工程
背景：①由于中药的特殊性和复杂性(所含成分复杂，类型多样，且成分间也可能有相互协同或抑制作用等)，单一的传统中药提取技术无法单独完成得到有效部位这一操作，简单的将几种技术联合使用，也会造成能源和原料的浪费，技术经济指标不合理。②现代中药的研发存在从实验室的小试到工业化大生产的转化这一难题。中药生产工艺技术落后、工艺工程化水平低、过程装备现代化程度低、集成化与信息化，而且国外先进的技术和设备也不太适合我国中药产业的发展。③中药生产存在着规模小、企业数量和产品重复多、科技含量、管理水平和生产能力低的特点。随大品种、大企业的出现，高效低耗的集成过程技术与装备将是瓶颈。这些问题都迫切地需要建立一个现代中药标准提取技术和技术集成的研究中心来解决。
现代中药标准提取技术和技术集成的宗旨是：合理有效地将先进的现代化的中药提取分离技术集成在一起，实现从实验室小试到工业化大生产的转化，高效快捷地分得中药产品的有效部位群(同时降低中药产品中超标的重金属和残留农药的含量)，甚至是其有效成分的标准品，同时改善现代中药企业所面临地生产工艺技术落后，工艺工程化水平低，过程装备现代化程度低的不良环境，实现中药企业现代化的生产工艺技术及设备，达到高效率低能耗的目标，为中药企业实现“大品种”，“大市场”提供可靠的技术依托，也有利于中药产品的二次研究开发和指纹图谱的建立，进行具有自主知识产权的新药品种开发，形成以“现代化”和“高技术”为特征的具有国际竞争力的中药产品。
天津大学制药工程学科达到或接近国际先进水平。目前，化工学院承担了多项中药现代化的科研项目，如国家计委十五攻关重大专项，天津市中药现代化重大专项，天津市中药现代化重点攻关项目等，同时，化工学院又拥有多项可用于中药生产的关键技术。例如：超临界萃取技术、蒸馏技术、纳米透皮吸收制剂技术、三相流化床蒸发浓缩技术、流化床干燥造粒技术、膜分离技术、精密过滤技术等。本方向主要学术带头人为元英进教授。
