从人类基因组计划实施的第一天起，研究者就面临对每天DNA测序获得的海量数据进行收集、储存和分析，这就必须与数学、物理、化学、信息科学与计算机技术相互结合、渗透、交叉和融合，否则就无法深入研究。如果追溯历史，把生物看作一个系统，与数学和计算机技术结合共同研究生命规律，则早在20世纪50年代就开始了。
1999年美国生物学家胡德（Leroy Hood，1938年）创建了世界上第一个系统生物学研究所，他指出过去30年中，生物学家已习惯于对个别基因或个别蛋白质进行研究，而系统生物学则用综合方法研究系统的所有元素，并追踪这些元素在系统发挥功能时的行为。2004年，胡德指出，系统生物学是研究一个生物系统中所有成分（基因、RNA、蛋白质）的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系，并通过计算生物学建立一个数学模型来定量描述和预测生物功能、表型和行为的学科。具体来说，系统生物学的研究内容包括两方面内容：一是通过众多的组学（如基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、糖组学、相互作用组学、表型组学等）研究积累数据，并挖掘数据中的规律；二是利用计算生物学建立生物模型。这两个研究内容的结合才成为真正的系统生物学。总之，系统生物学尚处于初期发展阶段，展望未来应用前景广阔而美好。
1.5.2 生物技术发展历史
“生物技术”这一名词是匈牙利工程师埃赖基（Karl Ereky，1878-1952年）在1917年首次使用，其原意是指用甜菜作为饲料进行大规模养猪，即把生物原料转变成产品。现代生物技术是指以生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先设计改造生物或加工生物原料，为人类生产所需产品或达到某种目的。生物技术是一项尖端技术，它是所有自然科学领域中涵盖范围最广的学科之一，主要涉及分子生物学、细胞生物学、微生物学、遗传学、植物学、免疫学和工程学等学科，因而被认为是一门多学科相互渗透的综合性学科。它的特征是高效益、高智力、高投入、高竞争、高风险和高势能。20世纪后叶，分子生物学领域一系列突破性成就，使生命科学在自然科学中的地位发生了革命性的变化；建立在实验室研究基础上的生物技术的发展为人类带来了巨大的利益和财富。
迄今为止，人类社会的发展经历了3次技术革命：第一次技术革命是工业革命，又称产业革命，是以机器取代人力，以大规模工厂化生产取代个体工场手工生产的一场生产与科技革命，解放了人的双手，使社会进入到“机器时代”；第二次技术革命是信息技术革命，由于计算机的出现使人脑得到扩展，由此社会进入到“信息时代”；第三次技术革命是生物技术革命，利用现代生物技术可以改造生命本身。每一次技术革命给人类思想和社会发展都带来了巨大的冲击，技术上的进步在造福于人类的同时，也为自然科学的理论研究提供了新课题和技术保障。与此同时，生物技术也存在潜在危险，在社会上引起了广泛争论，诸如转基因食品安全性、试管婴儿引发的社会伦理问题，等等。
1.传统生物技术时期
19世纪上半叶以前的生物技术是以发酵产品为目的，以自然发酵的微生物技术体系为核心。应该说从史前时代开始，发酵技术就一直为人们所开发和利用，以造福人类。在石器时代后期，我国人民就会利用谷物造酒，这是最早的发酵技术；公元前6000多年，古巴比伦人即苏米尔人就能够酿造啤酒；公元前4000年，古埃及人用麦粉发酵制造面包；公元前2000多年，我国酿酒已经十分普遍，公元6世纪，我国贾思勰的巨着《齐民要术》详细记载了制曲酿酒、制酱和制乳酸等工艺。
2.近代生物技术时期
近代生物技术时期是指19世纪初期到20世纪70年代的生物技术，以生命科学基础研究为核心，所采用的技术涉及物理、化学、遗传学、细胞杂交、诱变育种等。19世纪，人们有意识地利用酵母进行大规模发酵生产酒精，此后乳酸、酒精、柠檬酸和蛋白酶等初级代谢产物也成功进行大规模生产；19世纪中叶，巴斯德通过实验证明发酵原理；1897年，德国科学家毕希纳（Eduard Biichner，1860-1917年）提出任何生物都有引起发酵的物质——酶，他推动了生物化学、微生物学、发酵生理学和酶化学的发展，于1907年获诺贝尔化学奖；1928年，弗莱明（A.Fleming，1881-1955年）发现青霉素，使抗生素生产工业化；20世纪50年代，氨基酸发酵工业成为生物技术产业的新成员；20世纪60年代，生物技术产业中又增加了酶制剂这一新成员。
3.现代生物技术时期
现代生物技术时期是指20世纪70年代至今的生物技术，以DNA重组和单克隆抗体两大技术建立后的分子生物学为核心，采用基因工程、细胞工程、蛋白质工程、发酵工程和酶工程等技术。这5个方面的技术并不是各自独立的，它们彼此之间是相互联系、互相渗透的，其中基因工程处于核心位置，发酵工程是生物技术的主要终端。
在明确了DNA是遗传信息的主要携带者及遗传密码的组成规律以后，1980年获得诺贝尔化学奖的伯格（Paul Berg，1926年-）在1972年实现了DNA体外重组技术，标志着基因工程技术的开始；1976年诞生了第一家生物技术公司；1982年第一个基因工程产品——胰岛素投入市场；1997年，生物学界发生了轰动世界的大事——克隆羊“多莉”诞生。这一时期的生物技术以基因工程为核心，带动了现代发酵工程、现代酶工程、现代细胞工程和蛋白质工程的发展，形成了具有划时代意义和战略价值的现代生物技术。
现代生物技术主要应用在疾病治疗、诊断试剂、农林和园艺、食品、环境、化学品和设备等7个方面。在疾病治疗方面，主要是抗生素生产、生物制药和基因治疗；在诊断试剂方面，主要是临床检测与诊断检测，以及食品、环境和农业的检测，多是利用单克隆抗体、DNA探针等检测疾病，利用DNA探针、PCR技术等检测食品和环境中的微生物种类和数量；在农林和园艺方面，集中于改良作物和苗木品质、人工种子、转基因动物、生物杀虫剂及除草剂；在食品方面，主要是扩大食品、原料及营养素的来源，包括对食品资源的改造、对食品加工过程和食品品质的改良、在食品处理及分析过程中的检测、开发新食品材料、获得功能性保健食品素材等；在能源和环境方面的应用包括废物处理、生物净化、新能源的开发、消除环境污染；在化学品方面，生物技术从医药逐渐向化工领域转移，使传统的以石油为原料的化学工业发生变化，从而面向条件温和、以可再生资源为原料的生物加工过程的转化，同时生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一，可以生产有特殊功能、性能、用途或对环境友好的化工新材料；在设备方面，集中于生产金属、生物反应器等方面，如生物冶金、膜生物反应器处理废水等。
目前，生物技术对人们生产和生活的影响越来越大，创造的经济价值越来越大。仅就生物药物而言，2009年全球药物销售额超过40亿美元的“超级重磅炸弹”级药物有20种，其中8种为生物药物。生物药品销售额占整个医药行业销售额的比例也不断提高，这个比例已从1995年的不足4%提高到2000年的9%和2009年的16%，全球医药市场生物药品销售额也从2000年的828亿元上升为2009年的1300亿元，预测将来蛋白质和抗体类药物有可能占50%。生物制药产业已经成为发达国家的一个新的经济生长点，目前无论是生物药物的品种还是市场份额，北美和欧洲都占据绝大部分，日本只占7%，中国和其他地区占的份额很少。专家预计，到2020年后，人类将走向生物经济时代。
1）基因工程
基因工程是指在分子水平，根据分子生物学和遗传学原理，设计并实施把一个生物体中有用的目的DNA（遗传信息）转入另一个生物体中，使后者获得新的需要的遗传性状或表达所需要的产物，最终实现该技术的商业价值。基因工程的理论依据有以下几点：①不同基因具有相同的物质基础——DNA；②基因是可以切割的，基因是直线形式排列在DNA分子上的，允许从DNA分子上切下所需要的基因片段；③基因是可以转移的，携带某一基因的DNA分子可以在不同的生物体之间转移，或者在生物体内的染色体上移动；④多肽与基因之间存在对应关系，一种多肽就有一种相对应的基因；⑤遗传密码是通用的，三联密码同氨基酸之间的对应关系在所有生物中都是相同的；⑥基因可以通过复制把遗传信息传递给下一代，经重组的基因一般来说是能传代的，可以获得相对稳定的转基因生物。在操作上包括目的基因的克隆和鉴定、重组表达载体的构建、重组DNA导入受体细胞、目的蛋白的诱导表达等步骤。
1982年，美国食品与药物管理局批准了首例基因工程产品——人胰岛素，它向市场的投放标志着基因工程产品正式进入到商业化阶段。之后，大量的基因工程产品不断问世，如人生长激素、表皮生长因子、肿瘤坏死因子、干扰素、纤维素酶、抗血友病因子、红细胞生成素、尿激酶原、白细胞介素2、集落刺激因子、乙肝疫苗等。基因治疗目前已试用于肿瘤、血友病、地中海贫血、艾滋病和某些心血管病的治疗。中国生物制药业起步于20世纪80年代初期，至1989年中国批准了第一个国产基因工程药物——α干扰素。
2）发酵工程
发酵工程又称微生物工程，是利用生物的生命活动产生的酶，对无机或有机原料进行酶加工（生物化学反应过程）获得产品的工业。发酵工程有微生物菌体发酵、微生物酶发酵、微生物代谢产物发酵、微生物转化发酵、生物工程细胞发酵5种类型。包括以下几个步骤：菌种选育、菌种的大规模培养及发酵过程、生物活性物质的诱导和工程菌及其产物的收获。发酵工业常用的微生物主要是细菌、放线菌、酵母菌和霉菌。发酵工程的产品范围非常广泛，如抗生素、氨基酸、维生素等，从食品、药品、精细化工产品到许多工业用原料，等等。
3）酶工程
酶工程是将酶或细胞、细胞器等放在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于人类生活的一门科学技术。酶是一种生物催化剂，它具有作用专一性强、催化效率高等特点，能在常温常压和低浓度条件下进行复杂的生化反应，没有酶就没有生物体的一切生命活动。虽然酶在数千年前的酿酒发酵中就已经得到应用，但现代意义上的酶工程是在近几十年才兴起的高科技。酶工程是研究酶的生产和应用的一门技术性学科，它包括酶制剂的制备、酶的固定化、酶的修饰与改造、酶反应器等内容。自20世纪70年代基因工程诞生以来，酶工程进入一个高速发展的时期，只需要将含有目的基因的载体转移到宿主细胞内，通过发酵和纯化就能获得大量人们所需要的酶。近几十年来，随着酶工程不断的技术性突破，在工业、农业、医药卫生、能源开发及环境工程等方面的应用越来越广泛。与食品有关的各种酶如淀粉酶、葡萄糖异构酶、乳糖酶、凝乳酶、蛋白酶等占酶制剂市场的一半以上；酶工程在轻化工业中的用途主要包括洗涤剂制造（增强去垢能力）、毛皮工业、明胶制造、胶原纤维制造（粘接剂）、牙膏和化妆品的生产、造纸、感光材料生产、废水废物处理和饲料加工等；在全世界开发新型能源的大趋势下，利用微生物或酶工程技术从生物体中生产生物燃料已经获得了重要突破。
4）细胞工程
细胞工程是指以组织、细胞和细胞器为对象进行操作，在体外条件下进行培养、繁殖或人为地对细胞某些生物学特性按照人们的意愿进行改造，最终获得人们所需要的组织、细胞或个体。当前细胞工程所涉及的主要技术领域有细胞培养、细胞融合、细胞重组、染色体操作及基因转移等方面。通过细胞工程可以生产有用的生物产品或培养有价值的植株，并可以产生新的物种或品系。迄今为止，人们已经从染色体水平、细胞器水平及细胞水平开展了多层次的大量工作，在细胞培养、细胞融合、细胞代谢物的生产和生物克隆等诸多领域取得了一系列令人瞩目的成果。细胞工程包括动物细胞工程、植物细胞工程和微生物细胞工程，他们分别以动物细胞、植物细胞和微生物为主要生产对象，以细胞培养为主要过程和内容。通过植物胚胎（成熟或未成熟胚）或器官（根尖、茎尖、叶原基、花药等）的离体培养，再生成新植株（试管苗），能够快速、大量繁殖一些有价值的苗林、花卉、药材和濒危植物等。1997年，英国生物学家首次用羊的体细胞成功地克隆了一只小母羊——多莉绵羊。它的诞生在全世界掀起了克隆研究热潮。
