生物分离纯化:难跑的最后一棒

 

注射出现副作用，使用血液制品感染疾病，热销的生物制品紧急召回……这样的消息接连见诸报端。这在国家生化工程技术研究中心首席科学家苏志国看来，出现上述问题的背后，可能都是生物分离纯化技术不过关在“捣鬼”。

“生物制药对纯度要求颇高，需要通过生物分离纯化技术将有害物质或杂质去除，但又不能破坏目标产物的活性，其过程十分复杂。”苏志国说，包括生物制药在内的生物技术各相关产业流程，到最后都绕不过分离纯化这一步。

业内人士更是形象地将分离纯化技术，比作为生物技术产业化的“最后一棒”，而跑过的人都知道这一棒的艰难程度。

不可替代的产业角色

根据业内人士的共识，生物技术有所谓的上、下游之分。习惯上，把由生物学家从事的工作，包括分子生物学、生物化学、生物物理学以及遗传、育种、细胞培养、代谢等的研究划分为上游技术，而把生物技术初级制品的进一步分离、纯化、精制，进而制成最终产品的过程统称为下游技术。

因此，生物分离纯化技术常常被称作生物技术的下游工程。

从工业流程上来看，分离纯化技术也是距离终端产品最近的关键一步。

在生物技术科研和生产过程中，存在着大量的蛋白质、多肽和核酸等生物大分子的分析、分离和纯化工作，需要高效快速的分析、分离和制备方法。

而生物分离纯化技术又有别于传统的化学分离方法。全球最大生物酶制剂生产商诺维信中国研发部高级经理吴桂芳向《中国科学报》记者表示：“与化学方法相比，生物分离纯化要保持生物分子的活性，通常需要低温、特定的酸碱度、渗透压等。”

苏志国进一步解释，化学分离法通常利用物质挥发度的不同，比如蒸馏、精馏，通过加热来分离;但对于生物分子，例如蛋白质，通过加热就容易失去活性，所以传统化工方法往往不适用于具有生物活性产物的分离纯化。因此，生物分离纯化技术具有不可替代的产业角色。

据吴桂芳介绍，在生物制品的生产流程中，分离纯化成本一般占总成本的60%以上，主要是因为分离过程中的选择性不高，有效成分损失多。对于一些对终产物纯度要求高的产品，分离步骤越多，产物的最终收率越低。

特别是用于临床的生物医药产品，不仅要达到很高的纯度，而且还要在分离过程中最大限度地保持其生物活性，因为一旦失活，不仅失效，甚至可能产生有毒有害物质。苏志国认为，等生物制品在人体出现副作用，其背后往往存在生产企业生物分离纯化技术不过关的问题。

令学者又爱又怵

据苏志国观察，很多学生非常愿意学习生物分离纯化技术，甚至从其他专业“投奔”过来。“因为产业需求大，很多企业都需要这方面人才，毕业生好找工作。”

而与此形成鲜明对比的是，国内长期在这一领域从事研究的学者却并不多。

苏志国对《中国科学报》记者说：“有别于大多数基础科学研究，生物分离纯化技术的应用性很强，需要产业实践来检验，很难出理论成果，也不容易在国际一流期刊上发论文。”

该领域的科研人员还需要直面来自企业的压力。花了真金白银的企业不会在乎学者发了多少文章，而是看能不能解决产业化问题。因此，研究者对于从事生物分离纯化技术研究的矛盾心理也就不难理解了。

那么，生物分离纯化技术到底难在哪?

马宁宁来自北京义翘神州生物技术有限公司。该公司以蛋白和抗体生产见长，去年还被世界知名生物技术公司lifetechnologies选为战略合作伙伴。身为研发副总经理的他对于生物分离技术之难深有体会。

据他介绍，生物活性物质对外界很敏感，具有天生的不稳定性，对分离条件要求高，从而限制了分离的手段，而同时其分离和纯化又是一个非常复杂的过程。

例如，生物合成的发酵液或反应液是很复杂的多相体系。它含有微生物细胞、细胞碎片、代谢产物、未用完的培养基等，杂质含量较高，而目标产物的浓度却非常低，常常不到百分之一甚至千分之一;有的杂质还具有与产物非常相似的化学结构及理化性能，很难去除;目标产物具有生理活性物质，极不稳定，遇热或遇某些化学试剂极易失活或分解，还容易受到环境微生物的污染，因此常常要求在无菌条件下进行分离纯化。

受制于人的局面必须打破

生物分离纯化的复杂性，直接导致了其工艺流程长、需要的设备多，对原材料要求高等特点。

而在生物分离纯化领域，我国生物产业却面临着受制于国外厂商的尴尬局面。

马宁宁表示，有些设备和原材料看似简单，但对精度和gmp规范符合程度的要求很高，国内还不能生产，只能从国外进口。

“例如色谱柱，国内产品精度和强度能达到生物制药生产要求的很难找到。”他对《中国科学报》记者说，“再比如分离介质，进口产品在国内的售价要比在原产国高出50%~100%。”

苏志国认为，这意味着我国具有战略意义的生物产业，其命脉却掌握在别国手中。“长期以来我国生物分离纯化关键技术、设备和部分原材料依靠国外引进，这是发展阶段所决定的，但我们若想实现生物技术新产品的创制，就必须打破这一局面。”

他建议，应加强生物分离纯化技术的基础研究，“因为基础科学是原动力，而如何在复杂系统中分离生物产品，其中某些科学规律还不清楚”。

而各个被访者均重点阐述的，就是要攻克在设备和原材料方面的难题，其中又以分离介质为甚。

吴桂芳表示，应针对特定的产品开发高选择性的分离纯化介质，从而缩短分离流程，提高产品得率。这需要材料学、化学、生物技术及化学工程的紧密合作，并与终端市场需求、生产企业需求的紧密结合。

据马宁宁观察，分离纯化介质虽然附加值高，但由于用量低，并且技术要求高，对于习惯生产低端大宗工业品的企业不具吸引力，还需依靠有技术优势的中小企业来开发，但这些企业又因规模小不受国家重视。

他认为，国家在选择扶持对象时，应该更多关注专于某个细分领域的小企业，“这样的企业非常重要，没有它们，现代化的生物技术产业链就无法建立，这些小公司不该被忽视”。