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高压生物科学和生物技术:纯科学涵盖的价值追求

High pressure in bioscience and biotechnology:pure science encompassed in pursuit of value

Rikimaru Hayashi

贾培起 译
天津市华泰森淼生物工程技术有限公司

Abstract
    A fundamental factors, pressure (P), is indispensable to develop and support applications in the field of bioscience and biotechnology. This short sentence describes an example how high pressure bioscience and biotechnology, which started from applied science, stimulates challenges of basic science and pure science in the biology-related fields including not only food science, medicine, and pharmacology but also biochemistry, molecular biology, cell biology, physical chemistry, and angineering.

    摘 要


    压力(P)作为一个基本因素,对生物科学和生物技术的应用领域的发展和支持是不可或缺的。这用简短的语言对实例进行描述,高压生物科学和生物技术,如何从应用科学开始,在与生物技术相关领域激发挑战基础科学和纯科学,不仅包括食品科学,医学,药理学,而且也包括生物化学,分子生物学,细胞生物学,物理化学和工程 。

    1、前言
    自1895年Royer首次报告静水高压处理杀死细菌,1899年Hite和同事报告说,对牛奶保存的影响和1914年Bridgman观察到高压处理使蛋清凝固以来,在高压食品科学与技术的应用方面取得的相当的进步,尤其是在20 世纪最后年代,一个重大的突破在日本发生,1992年非加热食品加工如高压加工果酱出现在市场。至此,除热加工外,增加了压力加工食品,或两者兼用的食品,在世界范围引起食品工业的广泛兴趣。自从高温加工在各个方面为人造福以来,随着发现高压在食品科学与技术中卓越的应用,作为生物科学和生物技术一个通用方法,它自然延伸到医疗和药学领域。
    为了发展和支持这些应用,基础研究,不仅在食品科学、医学和药学,而且在其他学科,包括生物化学、分子生物学、细胞生物学、物理化学、工程都是必不可少的。基于期望,即两个基本因素,压力( p )与温度(T) ,可广泛地应用于日常生活。这些基础研究领域的发展已经概括在最近出版的书中[ 1 ]
    这里用简短的语言通过实例描述,起源于应用科学的高压生物科学和生物技术,在生物相关的领域是如何进行基础科学和纯科学研究的。


    2、食品加工的应用科学
    当食品原料,包括微生物细胞、植物和动物组织,加压100-400MPa作为食品加工的前处理时,细胞成分例如金属,氨基酸和蛋白质,成为细胞外的可溶性化合物,如盐渗透到细胞和组织。压力处理后,对酵母细胞电镜观察和与核膜、溶酶体相关动物组织的生化分析中显示,液泡遭到明显的破坏,另外被破坏的还有还有细胞膜和细胞壁。
    从对相关应用的观测提出一个问题,为什么小分子如盐和氨基酸,在限制扩散和高压力条件下能够溶解或渗入活细胞。


    3、基础科学应用
    为了了解这些形态和生化现象,压力诱导功能和结构性的变化,已经从猪肾中得到结合钠+、钾+、ATPase的膜,这是由双层脂质膜跨膜蛋白构成的细胞膜,作为研究的模型系统[2]。该酶由两个亚基,即一个钾亚基(分子量为94000~120000)和左旋亚基(分子量为40000~57000 )组成 ,大约总数的三分之二酶蛋白作为水溶域从双层脂质膜突出,并且与水环境接触,而其余的形式是被双层脂质膜包围的跨膜部分。
    酶的活性显示其变化至少有三个阶段,它取决于所使用的压力,0.1~100 MPa,100~220 MPa,220M Pa或更高。压力为100M Pa或更低时,引起双层脂质膜流动性下降和跨膜蛋白结构的可逆变化,导致酶的功能紊乱。压力100~220 MPa引起双层脂质膜的可逆相变和蛋白质亚基的分解。蛋白质和双层脂质膜的分离带来的这些变化产生了跨膜通道。220MPa或更高的压力导致蛋白质不可逆的伸展和双层脂质膜的破裂,从而摧毁整体膜的结构。从压力引起分子水平的变化来看它提供了可以实际应用基本信息。


    4 、纯科学
    200M Pa或更低的情况下,高静水压在水溶液中引起蛋白亚基的分离。然而,问题是双层脂质膜如何影响蛋白亚基压致分离,目前还不甚了解。
    由于烃链的调整,双层脂质膜的相变,从液晶相到凝胶相伴随着双层脂质膜厚度的增加和横截面积的减少[见例〔3〕]。这些变化将改变蛋白质和水和/或蛋白质和双层脂质膜表面的跨膜蛋白质接触环境:增加双层脂质膜的厚度,部分覆盖了跨膜蛋白质,减少了水溶性区域,或其横向收缩,从脂质分离出蛋白质。还可以从压力对膜相结合的蛋白质影响的研究中得到关于膜动力学的有用的信息。
    在生物物理科学中对于T,引入p作为一个重要的要素是被广为接受的。在生物化学及微生物学中,其中也包括分子和细胞生物学,p也是重要的一个环境因子,因为微生物生存在包括高压力的极端条件下,并能茁壮生长。因此,如上所描述的压力引起生化现象的实例,包括在纯科学的论题之内。
    最后,在高压方面有兴趣得多的是聚焦在与生物有关的领域包括:食品科学,药学,医学,高压生物科学和生物技术,被Heinrich Rickert描述追求最终“价值”的农业科学或ulturwissenschaft[4]。基础科学先于应用,应用科学需要基础科学,以达到进一步的发展。因此,基础科学与应用科学相互影响,互相依存,从基础科学中追求不到价值的说法是个偏见,它在当前世界先进的科学技术中专注于为应用提供支持和方法。高压生物科学和生物技术不仅包括应用科学和基础科学领域,而且包括纯科学,这有助于激发青年科学家的兴趣。


参考文献
[1] R. Hayashi (Ed.), Trends in High Pressure Bioscience and
Biotechnology, Elsevier, 2002.
[2] M. Kato, R. Hayashi, T. Tsuda, K. Taniguchi, High pressure-
induced changes of biological membrane: Study on the
membrane-bound Na., K.-ATPase as a model system, Eur.
J. Biochem. 269 (2002) 110^118.
[3] T. Hata, H. Matsuki, S. Kaneshina, Eject of local anesthetics
on the bilayer membrane of dipalmitoylphosphatidylcholine:
interdigitation of lipid bilayer and vesicle^micelle
transition, Biophys. Chem. 87 (2000) 25^36.
[4] H. Rickert, Kulturwissenschaft und Naturwissenschaft (Japanese
translation), Iwanami Publishing, 1939.

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