植物生物反应器的研究现状大纲

植物生物反应器的研究现状

大纲

背景：近10年,植物作为重组蛋白生产系统是生命科学中研究最活跃领域之一。

1 植物生物反应器兴起

公元前6万年至19世纪中叶植物药品时代,穴居人(距今约3 ~ 20 万年) 就知道用矢车菊(Centauriu m eryt hr aea)退烧祛病。药用植物最早文字记载始见神农百草( Shengnong Baicao) (公元前4500年), 随后黄帝内经( The Yell ow Emperor ' s Canon ofM edi cine)、印度吠陀经(Veda) (公元前2000年)和埃及埃伯斯纸草文稿( Ebers Papyrus) (公元前1552年) 分别记载了鸦片( Papaver so m ni f erum )、麻黄( Ephedr a si nica )、大麻( Cannabis sativa )、没药树(Comm iphor a myrr ha )、檀香( Santal um albu m )、胡荽(Coriandrum s ati vu m )、生姜( Zingiber of f icinale ) 、曼德拉草(Mandragor a o ffici narum ) 和蓖麻子( Ricinuscommunis)等药用植物[1]。

19世纪中叶至1970年化学药品时代。阿斯匹林(解热镇痛) 一类水杨酸类似物, 最早从柳树皮中分离获得, 是人类化学合成的第一个药品, 19世纪末由Bayer等用于临床[ 1]。随着化学分离、纯化和合成技术发展, 吗啡(从罂粟, 1815年)和胰岛素(从猪胰腺, 1922年)相继被分离, 20世纪中叶化学药品达到了产业化水平[ 2]。

1970年以后, 某些复杂生物治疗分子或成分用化学方法难以获得。作为补充, 以细菌、酵母和动物细胞为代表的生物药生产系统很快被研究者和生物制药业所接受, 其产品陆续进入人类药品行列。不过上述系统在蛋白加工和修饰、产品安全和生产成本等存在缺陷, 近年一直于低谷徘徊。

最近10年, 许多研究证实植物系统具有表达活性哺乳动物蛋白的能力, 在产品质量、成本和安全方面已显现出优势, 并很快得到科学家和生物制药业的认可[ 2~ 4], 并有科学家预测, 未来5~ 10年植物将成为临床治疗或诊断药品的主要生产系统[ 5 , 6]。

定义，特点：植物生物反应器广义上指以植物悬浮细胞培养或整株植物为加工场所大量生产具有重要功能或药用价值的蛋白(人或动物的疫苗、抗体、重要的氨基酸等), 植物细胞、组织或整株植物既可以是天然的也可以是经过基因工程改造的,以它们作为植物工厂大量生产各种高价值的生物制品。其中以转基因植物作为生物反应器生产贵重药物和疫苗已经成为植物基因工程中最有研究前景和商业价值的领域。它使得农业这一概念大大拓宽,突破了传统农业范畴,延伸到工业和医药领域。植物生物反应器种类不断增多,从最初的烟草、拟南芥到后来的马铃薯、番茄、香蕉、木瓜、豇豆、菠菜、苜蓿、油菜和芜青等,表达产物包括疫苗、抗体及其片段、细胞因子、酶及其它药用蛋白和生物活性肽等。与动物生物反应器和微生物生物反应器相比,植物生物反应器具有独特的优势。首先, 植物系统易于转化和大规模生产, 可自动表达动物、人类、细菌、病毒等的外源蛋白,而且价格低廉, 因此利用转基因植物开发畜禽疫苗是一种最经济和有效的途径。细菌在发酵过程中常产生包涵体, 不易对真核生物的蛋白进行有效的翻译后加工, 如将其重新溶解并折叠成天然蛋白质则需要很高的成本, 而且本身可能是人类病原物。动物细胞培养所需的生长培养基相当昂贵,在细胞培养过程中可能感染动物病毒而对人类健康造成潜在危害。就粮食作物而言,作物的田间种植比其他任何系统更加低廉有效,作物能进行自身光合作用和物质代谢循环, 可生产出人类所需的转基因产品。而且随着现代作物栽培技术的不断发展,人类食用的常规粮食作物可以科学种植, 相关植物生物反应器产品可通过种子、果实或块茎表达, 便于贮藏、运输和利用。其次, 转基因植物生物反应器产物的生理生化特性和生物活性与天然产物几乎完全相同, 省去了对下游产物进行完全的分离或纯化步骤,降低了生产成本。

在某些领域的研究现状

生物反应器所涉及的领域对国计民生的推动