植物次生代谢产物生物反应器研究进展_唐克轩_沈乾_付雪晴_颜廷祥[2]

植物次生代谢产物生物反应器研究进展_唐克轩_沈乾_付雪晴_颜廷祥[2]
植物次生代谢产物生物反应器研究进展_唐克轩_沈乾_付雪晴_颜廷祥[2]

中国农业科技导报,2014,():一-一

JournalofAgriculturalScienceandTechnology

一收稿日期:2014?01?03;接受日期:2014?01?13

一基金项目:国家863高技术项目(2011AA100605)资助三

一作者简介:唐克轩,教授,博士生导师,主要从事植物次生代谢工程与植物生物技术研究三E?mail:kxtang@sjtu.edu.cn

植物次生代谢产物生物反应器研究进展

唐克轩,一沈一乾,一付雪晴,一颜廷祥

(上海交通大学农业与生物学院,复旦-交大-诺丁汉植物生物技术研发中心,上海200240)

摘一要:植物次生代谢产物生物反应器是植物生物反应器的一种,通过代谢调控及代谢工程等现代生物技术手段在分子水平上对植物原有次生代谢途径进行遗传改造达到提高植物中有用次生代谢产物含量的目的三随着越来越多植物次生代谢途径的不断解析,植物次生代谢产物生物反应器的研究和应用前景越来越广阔三以萜类和生物碱类等次生代谢产物为代表,简述了植物次生代谢产物生物反应器的研究进展及展望三关键词:植物次生代谢产物生物反应器;植物基因工程;植物代谢工程;植物次生代谢产物doi:10.13304/j.nykjdb.2014.028

中图分类号:Q943.2一一一文献标识码:A一一一文章编号:1008?0864(2014)0一?00一?09

ResearchProgressonPlantSecondaryMetaboliteBioreactor

TANGKe?xuan,SHENQian,FUXue?qing,YANTing?xiang

(Fudan?SJTU?NottinghamPlantBiotechnologyR&DCenter,SchoolofAgricultureandBiology,

ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)

Abstract:Plantsecondarymetabolitebioreactorisonekindofplantbioreactors.Itsaimistoimprovethequantityofusefulmetabolitesofplantsbygeneticmodificationofplantsecondarymetabolicpathwaythroughmetabolicregulationandmetabolicengineeringonthemolecularlevel.Alongwiththemoreplantsecondarymetabolicpathwaysbeingelucidated,thewiderresearchandapplicationprospectsplantsecondarymetabolitebioreactorhas.Inthisarticle,theresearchprogressesandprospectsinplantsecondarymetabolitebioreactorwerereviewedandsummarizedusingterpenesandalkaloidsasexamples.

Keywords:plantsecondarymetabolitebioreactor;plantgeneticengineering;plantmetaboliteengineering;plant

secondarymetabolite

一一植物是人类赖以生存最重要的物质基础,它们不仅为人类提供生命所必须的碳水化合物二蛋白质和脂类等植物初级代谢产物,其中很多植物也为人类提供了萜类二生物碱类等有益的植物次生代谢产物三人类利用植物次生代谢产物预防和治疗疾病的历史非常悠久三至今,从植物中提取的次生代谢产物仍然在人们的生活中发挥重要的作用,对医药二轻工二化工和食品等领域的发展至关重要[1,2]三

近年来,随着植物分子生物学的飞速发展,植

物生物反应器在基础研究和应用领域都取得了长足进展三植物生物反应器是指利用植物细胞二组织二器官或整株植株,大量生产具有重要功能的蛋

白质,如疫苗二抗体或次生代谢产物等三植物生物反应器可以是天然的植物细胞二组织二器官或植株,也可以是经基因工程改良的植物细胞二组织二器官或植株[3,4]三目前我国植物生物反应器的研究和利用还主要集中在表达或生产药用蛋白的研究和应用方面;而利用代谢调控及代谢工程等技术对植物进行遗传改造来大量生产有用的植物次生代谢产物的研究还相对比较薄弱三随着经济及生活水平的不断提高,植物次生代谢产物在人类的生活中将发挥越来越重要的作用三随着很多中草药的有效成分被不断分离及鉴定,从植物的次生代谢产物中去寻找二开发新药也越来越受到科学家的重视三

网络出版时间:2014-01-16 19:55

网络出版地址:https://www.360docs.net/doc/9812487509.html,/kcms/doi/10.13304/j.nykjdb.2014.028.html

植物次生代谢产物种类丰富二功能强大二运用广泛,但是其有效成分在植物中的含量往往很低,例如治疗疟疾的特效药青蒿素(artemisinin)在青蒿(ArtemisiaannuaL.)中的含量仅为青蒿叶片干重的0.1% 1%[5,6];植源性抗癌药物紫杉醇在红豆杉中的含量仅为0.01%[7,8];植源性抗癌药物长春新碱等有效成分在长春花叶片中的含量仅为0.01% 0.1%[9]三面对上述难题,科学家开始运

用植物生物技术探索从植物中获取大量有用的植物次生代谢产物的方法三植物次生代谢产物生物反应器作为植物生物反应器的一种,成为专门获取大量植物有用次生代谢产物的有利工具三植物次生代谢产物生物反应器最大的特点在于以植物为载体,通过代谢调控及代谢工程等现代生物技术手段在分子水平上遗传改造植物原有的代谢途径,其目的在于提高植物中有用次生代谢产物的含量,最后从改造后的转基因植物整株中或植物组织中提取获得更多的有用次生代谢产物[10,11]三它与一般的植物生物反应器最大的区别在于其主要是通过代谢调控及代谢工程改变了植物原有的代谢途径,实现对植物自身代谢途径的调控,以获取大量有用的植物次生代谢产物为目的,而不是导入外源表达基因从植物中获取多肽类二疫苗类和蛋白类等物质三

本文以目前作为国内外研究热点的萜类二生物碱类等植物次生代谢产物为例,简述植物次生代谢产物生物反应器的研究现状及发展对策三1一植物萜类次生代谢产物生物反应器1.1一青蒿素植物次生代谢产物生物反应器目前全球大约每年有60万人死于疟疾,我国科学家从中药青蒿中分离得到的青蒿素是世界卫生组织(WorldHealthOrganization,WHO)推荐的目前最有效的抗疟药物[12,13]三然而,青蒿素在青蒿植物中的含量非常低,直接导致青蒿素供不应求,价格昂贵三

随着青蒿素生物合成途径的关键酶基因被不断克隆与鉴定,目前青蒿素生物合成途径已经基本清晰三青蒿素是一种含有过氧桥键的倍半萜内酯化合物,由法尼尔焦磷酸(farnesyldiphosphate,FPP)经紫穗槐?4,11?二烯合酶(amorpha?4,11?dienesynthase,ADS)催化生成紫穗槐?4,11?二烯(amorpha?4,11?diene)[14],后经细胞色素P450单加氧酶(cytochromeP450monooxygenase,CYP71AV1)两步催化分别生成青蒿醇(artemisinicalcohol),青蒿醛(artemisinicaldehyde)[15],再由青蒿醛还原酶(artemisinicaldehydeΔ11(13)reductase,DBR2)催化生成二氢青蒿醛(dihyroartemisinicaldehyde)[16],最后由乙醛脱氢酶(aldehydedehydrogenase1,ALDH1)[17]催化生成青蒿素的直接前体物质二氢青蒿酸(dihyroartemisinicacid)三目前科学家一致认为从二氢青蒿酸到青蒿素的转化不是一个酶促反应过程,而是光氧化(photo?oxidative)反应的过程,且该反应已在体外实验中得以证实[18]三至此,青蒿素的生物合成途径已经基本阐明三基于上述对青蒿素生物合成途径的认识,青蒿素植物次生代谢产物生物反应器的研发便有了理论基础与依据三根据青蒿素生物合成途径的特点,科学家们运用植物基因工程二代谢工程等生物技术手段进行了青蒿素生物合成代谢途径改造和调控的研究三最早Chen等[19]将青蒿素代谢途径上的关键酶基因FPS(farnesyldiphosphatesynthase)成功导入到青蒿中,获得了过量表达FPS基因的转基因青蒿植株,经HPLC测定转基因青蒿与非转基因对照组青蒿中青蒿素的含量,结果发现过量表达FPS基因的转基因青蒿中青蒿素的含量提高了40%左右三之后,不断有文献报道在青蒿中过量表达青蒿素合成途径上关键酶的基因,如ADS[20],CYP71AV1[21],DXR[22]等均显著提高了青蒿中青蒿素的含量三Zhang等[23]首次通过hairpin?RNA介导的RNAi技术手段成功抑制了从法尼尔焦磷酸(FPP)到甾醇(sterol)合成途径的第一步关键酶鲨烯合酶(squalenesynthase,SQS)基因的表达量(SQS基因表达量降低至野生型的40% 60%左右),经GC?MS分析发现,在抑制住SQS基因表达量的转基因青蒿中麦角固醇(ergostero)二谷甾醇(β?sitosterol)等的含量有显著的降低,而这些转基因青蒿中青蒿素的含量则较非转基因青蒿(10mg/g干重)提高到了3.14倍,最高达到了青蒿叶片干重的31.4mg/g,同时转基因青蒿其生长状态与野生型青蒿相比无显著差异三

植物中存在许多调控植物次生代谢产物生物合成的转录因子,目前在青蒿中克隆并鉴定报道

2中国农业科技导报一卷

的转录因子共有4个,分别是AaWRKY1二AaEFR1二AaERF2和AaORA三文献报道称,通过酵母双杂交实验发现AaWRKY1转录因子能特异结合青蒿素生物合成途径关键酶基因ADS的启动子区域上的W?BOX顺式作用元件,瞬时转化发现AaWRKY1能显著提高ADS基因的表达量[24]三类似的,Yu等[25]发现AaEFR1二AaERF2转录因子能同时结合ADS二CYP71AV1启动子区域上的CRTDREHVCBF2(CBF2)和RAV1AAT(RAA)顺式作用元件,在青蒿中过量表达这两个转录因子基因的转基因青蒿中青蒿素及青蒿酸的含量都较野生型青蒿有了显著的提高;相反用RNAi技术抑制这两个基因的表达,转基因青蒿中青蒿素及青蒿酸的含量都较野生型青蒿有显著的降低三同样的,Lu等[26]发现在青蒿中过量表达AaORA转录因子基因,转基因青蒿中的ADS二CYP71AV1二DBR2和ALDH1等青蒿素合成途径的关键酶基因的表达都有显著提高,与此同时该转基因青蒿中青蒿素的含量也显著高于野生型青蒿三由此可见,青蒿中某些转录因子能够调控青蒿素生物合成途径上多个基因的表达三

青蒿素的生物代谢途径虽然已经基本清楚,但是青蒿素生物合成的调控机理尚不清晰三例如青蒿素中间物质及其前体物质的转运机制,青蒿分泌型腺毛的发育机制等等三今后的研究工作需要进一步探明青蒿素生物合成过程中的调控机理,便于进一步运用到青蒿素植物次生代谢生物反应器的研究之中三

1.2 丹参酮植物次生代谢产物生物反应器丹参(SalviamiltiorrhizaBunge)是我国一种非常重要的传统中药,被广泛应用于心脑血管疾病和炎症的预防三丹参的根状茎主要包含两种生物活性物质:咖啡酸衍生的丹酚酸类化合物和属于二萜类的丹参酮类化合物[27]三1993年Zhi等[28]利用发根农杆菌侵染丹参植株获得转基因毛状根,并且在转基因毛状根中成功检测出7种丹参酮类成分三毛状根培养技术的建立为提高丹参中有用次生代谢产物的含量奠定了基础三丹参酮属于二萜化合物,其生物合成途径还不是很明确三但是丹参酮和其他的萜类一样,在植物体内都由甲羟戊酸(mevalonate,MVA)和1?脱氧?D?木酮糖?5?磷酸(1?deoxy?D?xylulose5?phosphate,DXP)途径合成,异戊烯基焦磷酸(isopentenylpyrophosphate,IPP)及其异构体二甲基烯丙基焦磷酸(dimethylallylpyropho?sphate,DMAPP)为中间代谢产物,接着在牻牛儿牻牛儿基焦磷酸合酶(geranyldiphosphatesynthase,GGPS)的作用下合成牻牛儿基焦磷酸(geranylgeranyldiphosphate,GGPP)三目前从GGPP下游合成丹参酮的代谢途径的相关研究还较少,涉及的相关反应步骤还不是很清楚[29,30]三Gao等[30]从丹参中克隆了下游合成途径的柯巴基焦磷酸合酶(copalyldiphosphatesynthase,CPS)和类贝壳杉烯合酶(kaunenesynthaselike,KSL),为进一步研究丹参酮的生物合成途径提供了方向三CPS和KSL位于GGPP的下游,CPS催化GGPP生成丹参酮前体物质柯巴基焦磷酸(copalyldiphosphate,CPP),然后由KSL催化CPP合成次丹参酮二烯(miltiradiene)三2013年,Guo等[31]利用比较转录组学鉴定出14个与丹参酮积累相关的细胞色素氧化酶P450基因,并通过基因表达和体外酶活的实验筛选出:CYP76AH1可以催化miltiradiene生成铁锈醇(ferruginol);预测其他细胞色素氧化酶P450可能参与丹参酮合成途径的下游催化过程三随着新一代高通量测序技术的发展,丹参转录组测序以及cDNA芯片的相关研究也都陆续展开,结合生物信息学技术,大量未知基因的功能被鉴定,有力地推进了丹参酮生物合成途径的解析[32]三这对利用植物代谢工程技术改造丹参酮代谢途径,提高丹参中丹参酮等有用次生代谢产物的含量提供了理论依据和基础,并推动了丹参次生代谢产物生物反应器的研究三

研究发现,植物次生代谢产物还受到各种生物和非生物因子的调控[33]三在丹参毛状根培养体系中添加YE二MJ二Ag+二Co2+二α?氨基丁酸等诱导子,均可以不同程度的提高丹参毛状根中丹参酮的含量[34]三Shi等[35]用山梨醇处理丹参毛状根,发现处理后的毛状根中总丹参酮类物质的含量是未处理组的4.5倍三

2011年,Kai等[36]利用发根农杆菌介导的方法遗传转化丹参外植体,获得过表达丹参HMGR基因的转基因毛状根,其丹参酮含量比对照组高2.2倍;过表达丹参GGPPS基因的转基因毛状根中丹参酮含量比对照高4.2倍;同时过表达HMGR和GGPPS基因的转基因毛状根丹参酮含

一期唐克轩等:植物次生代谢产物生物反应器研究进展

量比对照高4.7倍三

目前丹参中调控丹参酮代谢的转录因子还未见报道三但是,Hua等[32]通过DenovoSolexa对丹参转录组测序,从测序结果中筛选到1341条转录因子的unigene,其中包含了MYB二WRKY二Homeobox二AP2?EREBP和C2H2等转录因子家族三结合已经被报道的调控萜类生物合成的转录因子的研究方法,转录因子参与调控机制,以及丹参转录组测序结果,为丹参酮类生物合成的转录调控研究提供了指导和依据,这也将是今后研究丹参酮植物代谢产物生物反应器的热点三1.3一紫杉醇植物次生代谢产物生物反应器紫杉醇是目前临床上被广泛使用的最有效的抗癌药物之一,但其药源植物红豆杉生长周期长,且主要存在于树皮中,含量非常低,因此资源十分稀缺,这就导致了紫杉醇价格昂贵,长期供不应求[7,8]三

目前,紫杉醇生物合成途径的多数酶基因已经被克隆和鉴定,其生物合成途径已基本明确[7,37]三紫杉醇也属于植物二萜类化合物三首先由植物二萜的共同前体牻牛儿牻牛儿基焦磷酸(geranylgeranyldiphosphate,GGPP)在紫杉二烯合成酶(taxadienesynthase,TS)催化下生成紫杉二烯(taxa?4(5),11(2)?diene),然后被紫杉烯5α?羟基化酶(cytochromeP450taxadiene5α?hydroxylase,T5αH)二紫杉烯醇5α?乙酰氧化基转移酶(taxadiene?5α?ol?O?acetyltransferase,TDAT)二紫杉烷10β?羟基化酶(cytochromeP450taxane10β?hydroxylase,T10βH)二紫杉烷13α?羟基化酶(cytochromeP450taxane13α?hydroxylase,T13αH)和5个酰基转移酶等一系列的氧化二乙酰化和苯丙氨酸氨基变位反应合成最终合成紫杉醇[38 41]三

目前紫杉醇化学半合成和红豆杉悬浮细胞培养和产紫杉醇内生菌发酵等方法均可以生产紫杉醇[42 44]三虽然红豆杉悬浮细胞培养被认为是最有前途的紫杉醇生产体系[42],但是该体系获得的紫杉醇产量较低,仍不足以进行工业化应用[7,37]三利用植物代谢工程技术改造红豆杉中紫杉醇的代谢途径从而提高红豆杉细胞中紫杉醇的含量可能是今后最有效的方法[45]三

Ho等[46]首次在南方红豆杉细胞中同时过表达紫杉醇合成途径的关键酶基因TS和DBAT,但发现转基因细胞必须在茉莉酸甲酯(methyljasmonate,MeJA)诱导条件下才生成紫杉烷类三2011年,Zhang等[47]在中国红豆杉细胞中过表达紫杉醇合成关键酶基因DBAT使得转基因细胞中紫杉醇含量增加了1.7倍三

目前调控紫杉醇代谢途径的一个转录因子TcWRKY1被克隆并鉴定,Li等[48]在中国红豆杉细胞中过表达TcWRKY1转录因子,并用微量酒精诱导之后,转基因细胞系内紫杉醇含量提高了约2.7倍三

利用现代生物学技术改造紫杉醇代谢途径,深入探索紫杉醇代谢途径的转录因子调控机制,充分开发利用红豆杉植物次生代谢生物反应器是解决紫杉醇药源问题的最有效的方法之一三

2一植物生物碱类次生代谢产物生物反应器

2.1一吲哚类生物碱次生代谢产物生物反应器长春花(Catharanthusroseus(L.)G.Don)作为传统的药用植物,其体内具有生物活性的萜类吲哚生物碱(terpenoidindolealkaloids,TIAs)多达130多种[9],其中双吲哚生物碱长春新碱(vincristine)和长春碱(vinblastine),以及它们的单吲哚前体物长春质碱(catharanthine)和文多灵(vindoline)的半合成产物长春瑞滨(vinorelbine)在治疗癌症方面具有很好的效果三但是双吲哚生物碱以及单吲哚前体物在野生型长春花中的含量都非常低,分别仅为植株干重的0.01%和0.1%左右三同时TIAs分子结构非常复杂,化学合成难度极大三这些原因导致长春花TIAs的供需严重不平衡,使其价格极为昂贵三

长春花体内TIAs的代谢合成途径非常复杂,涉及到30多步酶促反应,30多种中间产物,以及7种不同的细胞和亚细胞结构[49]三TIAs的合成途径可以分为上游及下游两个阶段,上游阶段主要指合成TIAs的共同前体3α(S)?异胡豆苷(strictosidine)的途径,该途径有两条,分别为吲哚途径(indolepathway)和环烯醚萜途径(iridoidpathway)三下游阶段则是以3α(S)?异胡豆苷为前体经过不同途径合成各种TIAs三目前已知参与TIAs合成过程的关键酶有G10H二TDC二STR二T16H二OMT二NMT二D4H二DAT二SGD和CrPRX1等,

4中国农业科技导报一卷

调控TIAs合成的转录因子有ORCA2二ORCA3二CrMYC2二CrMYC?1二BPF?1二ZCT1二ZCT2二ZCT3二CrWRKY1二CrGBF1和CrGBF2等三虽然目前长春花体内TIAs的代谢合成途径仍未能完全阐明,但目前已经发现的相关关键酶及转录因子仍然为植物次生代谢产物生物反应器的研发提供了较好的理论基础与依据三

目前长春花次生代谢产物生物反应器多为细胞悬浮体系和长春花毛状根三长春花细胞悬浮系由愈伤组织分化而来[50]三Pomahacova等[51]将一个C.japonica的ABC家族转运蛋白基因CjMDR1在长春花细胞系中超表达,发现可以提高阿吗碱含量三但由于长春花细胞系无法合成文多灵[52],从而无法直接生产具有药用价值的长春新碱和长春碱,并且其遗传稳定性较差,很难维持其高产植物碱的特性[53];毛状根与细胞系相比可以更好的保持遗传和代谢产物的稳定性,而且它也可以无限生长三Hughes等[54]将TDC和ASα基因由发根农杆菌介导单转及共转长春花,得到TDC和ASα基因超表达的毛状根,单转TDC的发根中色胺的含量没有变化,共转TDC和ASα的发根中色胺含量提高了约6倍[54]三Ayora?Talavera等[55]将MVA途径中的关键酶基因HMGR在长春花毛状根中超表达,结果显示转基因毛状根中长春质碱和阿吗碱含量均有一定程度的提高三Jaggia等[56]成功在长春花毛状根中超表达CrPrx基因,结果显示转基因毛状根中阿吗碱含量有了一定程度的提高三Suttipantaa等[57]发现在长春花毛状根中超表达转录因子CrWRKY1,可以显著提高色胺以及蛇根碱等单吲哚生物碱的含量三但与细胞系类似,长春花毛状根不能合成所有TIAs,在毛状根中也无法检测到长春新碱和长春碱三龚一富等[58]于2012年成功由毛状根诱导出同时超表达ORCA3和G10H基因的再生植株,结果显示TIAs的含量与对照相比明显增加,但存在植株矮小的缺点三

由于TIAs的合成在不同的细胞二器官中有着较高的特异性,因此长春花细胞系和毛状根都有其局限性三目前长春花下胚轴诱导愈伤组织进而再生植株体系[59]已被成功地运用到长春花次生代谢产物生物反应器的研发之中三王荃等[60]于2012年首次报道了运用根癌农杆菌介导转化长春花下胚轴,成功获得超表达DAT基因的长春花转基因植株,克服了细胞系和毛状根的局限,成功提高了文多灵在长春花中的含量三潘琪芳等[61]采用相同的遗传转化体系,将转录因子ORCA3和关键酶G10H基因单转及共转化得到转基因长春花植株,经测定发现单转ORCA3基因的长春花植株中长春质碱和文多灵的平均含量分别是对照

(非转基因植株)的2.29倍和2.59倍;共转ORCA3和G10H基因的长春花转基因植株中长春质碱和文多灵的平均含量分别是对照的2.14倍和2.98倍,证明下胚轴再生植株体系将成为非常重要有效的构建长春花次生代谢产物生物反应器的技术手段三

2.2 莨菪烷生物碱次生代谢产物生物反应器莨菪类生物碱又称托品烷类生物碱(tropanealkaloids,TAs),主要存在于茄科的颠茄属二山莨菪属二曼陀罗属和天仙子属等数十种植物中[62]三TAs具有很好的医疗价值,临床上常用的产物有莨菪碱(hyoscyamine)和东莨菪碱(scopolamine)两种,它们在临床上主要作为抗胆碱类药物使用,并且东莨菪碱与莨菪碱相比具有药理作用更强二副作用更小的优点[63]三但是在作为东莨菪碱主要来源的颠茄二莨菪二曼陀罗等植物中,东莨菪碱的含量比莨菪碱要低很多,其在颠茄中仅为干重的0.01% 0.08%,因此价格昂贵三随着东莨菪碱生物合成途径关键酶基因的不断克隆与鉴定,东莨菪碱在茄科植物中的代谢合成途径已经基本清晰三东莨菪碱的生物合成起始于鸟氨酸和精氨酸,其后在鸟氨酸脱羧酶(OrnDC)二精氨酸脱羧酶(ArgDC)二N?甲基?腐胺转移酶(PMT)和二胺氧化酶(DAO)等一系列酶的作用下,经过多步酶促和非酶促反应产生TAs途径特有的前体托品酮[64,65],托品酮在托品酮还原酶I(TRI)催化下还原成托品(此步有一条竞争性支路:托品酮在托品酮还原酶Ⅱ催化下还原成假托品)三之后托品与苯乳酸缩合生成海螺碱,之后CYP80F1催化海螺碱生成莨菪碱[66],之后经过莨菪碱6?P?羟化酶(H6H)催化,莨菪碱羟基化变成山莨菪碱,最后环氧化成东莨碱[67]三至此,东莨菪碱的生物合成途径已经基本阐明三基于对东莨菪碱生物合成途径的阐明与认识,东莨菪碱植物次生代谢产物生物反应器的研发便有了理论基础与依据三

一期唐克轩等:植物次生代谢产物生物反应器研究进展

根据东莨菪碱生物合成途径的特点,张磊等[68]于2004年将克隆到的两个关键酶基因PMT和H6H通过发根农杆菌介导单独及同时介导转入药用植物天仙子,获得高效表达的转基因发根,结果显示双转基因的天仙子发根中东莨菪碱含量为野生对照组的9倍,为单转基因的天仙子的2倍多,达到了创纪录的411mg/L,此记录目前仍无人打破,充分说明上下游双基因转化效果比单基因转化效果更好三基于相同的思路,杨春贤等[69,70]通过在东莨菪碱商业药源植物颠茄中超量表达PMT和H6H基因,成功培育出了高产东莨菪碱的转基因颠茄发根三之后王细荣等[71]将研究工作更进一步,成功构建了根瘤农杆菌介导的颠茄遗传转化体系,并成功培育出了PMT和H6H基因同时超表达的转基因颠茄植株,转基因植株与对照(野生型)相比,其东莨菪碱最多提高了7.3倍;之后Song等[72]将根瘤农杆菌介导的颠茄遗传转化体系进行了进一步的优化,以上这些工作使颠茄作为生产东莨菪碱的植物次生代谢产物生物反应器有了一个广阔的前景三

3 问题与展望

植物次生代谢产物生物反应器研究虽然起步较晚,但是发展迅速,已取得了有极大前景的成果,展示出巨大的潜力三但是与普通植物生物反应器相比,植物次生代谢产物生物反应器对植物次生代谢途径的解析及其调控原理的认识更为依赖三同时由于植物次生代谢的复杂性及种属特异性,植物次生代谢产物生物反应器的研发还面临较多问题亟待解决三例如,大多数植物次生代谢产物结构复杂,涉及的生物合成步骤繁多,且生物合成途径还没有被完全解析三尽管少数次生代谢产物例如青蒿素等其生物合成途径虽已经较为清晰,但是青蒿素的生物合成调控机制还不十分清楚,目前仅仅克隆了少数几个调控的转录因子基因,对全面解析青蒿素的生物合成和调控还显得相对不足三此外,研究发现过表达一些代谢途径重要基因并未显著提高预期代谢产物的含量,某些次生代谢产物合成途径上的关键酶天然状态下有突变位点导致催化活性降低等等,这些问题都影响着植物次生代谢产物生物反应器的研发,有待于深入研究三

因此,未来在植物次生代谢生物反应器的研究中,一项重要的任务就是不断解析植物次生代谢途径及其调控网络,主要包括次生代谢产物的前体物质及中间产物的分离鉴定二中间产物合成的关键酶基因的克隆及其表达调控二中间产物合成的细胞分区情况二产物的转运情况以及与其他次生代谢产物途径之间的相互关系等等;考虑到植物次生代谢调控网络的复杂性,在植物次生代谢生物反应器的研发中我们也可以借鉴微生物代谢生物反应器研发的技术与策略,例如将过量表达关键酶基因二阻断竞争支路的合成二多个基因联合过量表达并选用高效特异的启动子二控制基因插入的拷贝数目等技术策略联合运用三随着越来越多植物的基因组转录组测序完成,运用生物信息学的技术,将植物遗传信息与植物次生产物代谢组学信息进行有效的整合,例如将基因组二转录组等信息与核磁共振技术关联分析等,从而建立起完善的植物次生代谢调控网络,以便更有效地调控植物代谢途径,使得植物次生代谢产物生物反应器发挥其最大的潜力三

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一期唐克轩等:植物次生代谢产物生物反应器研究进展

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一期唐克轩等:植物次生代谢产物生物反应器研究进展

植物细胞和动物细胞培养反应器

1、比较植物、动物、微生物细胞的结构和生理特点。 性质动物细胞植物细胞微生物细胞 大小10-100um 比微生物细胞大10um 代谢调节方式内部和激素内部和激素内部 营养要求很苛刻苛刻宽松可利用多种底物 生长速率倍增时间一般为 12-60h 倍增时间一般为0.5-2h 机械强度最差,缺乏保护性细 胞壁差 差,抗剪能力弱较好 环境适应性很差差好 粘附性贴壁生长细胞团形式悬浮分离 2、描述植物细胞、动物细胞生物反应器的共性。各有何优缺点。 都需要满足动植物细胞抗剪切力弱,营养要求苛刻,培养条件严格,要求较高传质效率的特性;悬浮培养生物反应器 反应器优点缺点 机械搅拌式反应器(悬浮式)能够获得较高的溶氧系数剪切力大 通气搅拌式反应器(悬浮式)避免向培养基直接通气时气 泡损伤细胞,没有移动部件, 密封好,氧转换率较高,便于 放大氧传递系数小,气路系统不能就地灭菌 气升式培养反应器(悬浮式)湍流温和均匀剪应力小,完全 密封,便于无菌操作,氧的转 换率高,便于放大生产 填充床生物反应器(固定化)单位体积固定细胞量大混合效果差,使溶氧、pH、 温度控制、气体的排出较难流化床生物反应器(固定化)小颗粒传质特性良好剪切力和颗粒碰撞会损坏固 定化细胞 膜式(中空纤维)反应器(固定化)良好的传质性能,满足细胞贴 壁生长的特性;培养器体积 小,细胞密度高;产物纯度高; 自动化程度高;可重复使用 成本高 微载体悬浮培养系统比表面积大;生长条件易控制 且易放大,兼贴壁与悬浮培养 的优势,取样方便;易于分离 微囊培养系统小颗粒传质特性良好;科技含 量较高 结构复杂 3、你认为最适合于植物细胞、动物细胞培养的生物反应器、培养方法及操作方式,并说明其理由。

(完整word版)普通生物学试题库

2016/2017 学年第一学期课程考试试题()卷 类别继续教育学院拟题人 适用专业 (答案写在答题纸上,写在试题纸上无效) 一、填空题……………………………………………(每小题2分,共20分) 1、细胞呼吸全过程可分为糖酵解、丙酮酸氧化脱羧、和电子传递链。 2、细胞核包括核被膜、核质、和核仁等部分。 3、线虫的体细胞数目,因此是研究细胞发育的良好的实验材料。 4、细胞周期包括和分裂间期两个时期。 5、DNA和RNA的结构单体是。 6、血液分为血细胞和两部分。 7、存在于生物体内而在自然界不存在的元素是。 8、细胞生活的内环境主要是指。 9、动物自身不能合成维生素,必须从食物中摄取,或由其体内提供。 10、生物的自养方式可分为两种,即光能自养和。 11、抗原分子的某些化学基团其分子构相与抗体或淋巴细胞表面受体互补结合,从而能引发免疫反应,这些基团叫做。 12、基因的化学实质是DNA,在某些病毒中是。 13、常见的发酵过程有酒精发酵和。 14、新的表现型可以不通过 ____,只通过基因重组就可产生。 15、维管植物中用种子繁殖的有_________、被子植物。 16、真核细胞中,不饱和脂肪酸都是通过途径合成的。 17、是已知的最小的能在细胞外培养生长的原核生物。 18、发达是种子植物生活史的特点。 19、植物的生长发育主要是植物体内的细胞分裂、、和分化的结果。 20、质膜具有透性,其主要功能是控制物质进出细胞。 21、分生组织的显著特征是细胞具有能力。 22、免疫作为一种防护机制的特点是识别自身和外物、记忆、。23、世代交替是指植物生活史中,有性世代和的规律地交互进行的现象。 24、神经组织是由细胞和神经胶质细胞组成的。 25、依照五界系统,生物可分为原核生物、植物、动物、原生生物和等五界。 26、神经未受剌激时的膜电位称。 27、同物种的种群之间存在着隔离。 28、同一物种的种群之间存在着隔离。 29、光敏色素以红外吸收形式和两种形式存在。 30、根据神经冲动通过突触方式的不同,突触可分为电突触和。 31、鱼类可分为软骨鱼纲和纲。 32、肾上腺髓质分泌的激素有和去甲肾上腺素。 33、染色体数目变异包括整倍性和变异。 34、内分泌腺分泌的激素经到达所作用的靶细胞或靶器官。 35、维管植物可分为蕨类植物和两类。 36、由肋间肌舒缩引起的呼吸动作为呼吸。 37、突触的兴奋性和抑制性取决于神经递质的性质和突触后膜上的性质。 38、依据方式可将真核多细胞生物划分为植物界—动物---界和真菌界。 39、世代交替是指植物生活史中,和配子体有规律地交互进行的现象。 40、吗啡、海洛因等药物的副作用是可抑制内啡肽的产生,这是一种反馈,从而产生药物依赖性。 二、选择题………………………………………………(每小题2分,共20分) 1. 的形成能导致物种的爆发式产生。 A. 多倍体; B. 渐变群; C. 瓶颈效应 2. 病毒感染细胞后,相邻细胞会产生。 A. 干扰素; B. 类毒素; C . 外毒素 3. 藻类不具有下列特征。 A. 光合自养; B. 根、茎、叶分化; C. 多细胞生殖器官 4. 真菌的营养方式为。 A. 腐生; B. 腐生和寄生; C. 腐生、寄生和化能自养 5.地衣是____。 A. 植物; B. 原生生物; C. 藻菌复合体 6.在生物体内,放能反应主要与。

我国大规模细胞培养生物反应器综述

我国大规模细胞培养生物反应器综述 文章比较全面的介绍了我国目前生物反应器的现状,各种品种发酵的特点.提出了反应器的设计要以代 谢流分析为核心,要从系统生物学的角度出发. 1、发展大规模细胞培养及其生物反应器 借助于细胞培养进行各种产品生产已是我国生物技术产业化的重要组成部分,涉及医药、化工、轻工、食品、农业、海洋、环保等行业。培养的细胞不仅只是微生物,用于生物技术产品生产的动物细胞、植物细胞和藻类细胞大规模培养已引起了大家重视,显露出令人鼓舞的前景。而且随着生物技术的发展,在人类今后发现的一切具有生物活性的物质都可以借助于细胞培养方法得到。它们可以是细胞代谢产物、生物转化、酶或某基因表达产物。 此外,随着人类社会经济发展,如果没有基于科技进步的大力开发,能源和资源将难以支撑人类社会进一步发展的目标,人类社会的发展必须将基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济。这种能源结构和资源结构的转变将直接关系到我国经济的可持续发展,社会的稳定、和国家安全。解决上述问题的最有效方法就是发展工业微生物,只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。 显而易见,要进行这些产品的生产,无不涉及到细胞代谢与大规模培养研究。为了提高生产水平,除了获得高生产能力的细胞株外,生物反应器是重要的核心技术,必需提供有利于生物过程研究的装置技术和高效节能的生产装置。但是在生物技术产业化平台中,细胞大规模培养技术等中下游技术是我国最薄弱的技术环节之一,以我国生物医药等领域产业化来说,与先进国家的差距是全面的。滞后的一个重要原因之一就是缺乏相配套工艺的工业化放大技术研究和相应的装备技术支撑。例如以哺乳类细胞培养技术来看,西方国家基因工程抗体的开发已经进入大规模细胞反应阶段,细胞工程研究规模已经达到1000L以上,基因工程抗体的生产反应系统最大规模达到20000L以上。相形之下,我国多数药物开发单位的细胞反应规模仍停留在2-30L 规模,100L的培养技术还不稳定,长期以来都是照抄照搬国外的技术和进口国外设备。国内只能生产一些低档装置, 仅靠科研成果模仿和基础科学的跟随。 与其他各行业的装备制造业一样,生物反应器为生物技术产业再生产和扩大再生产提供共性技术和关键技术,它的发展水平也反映了国家在科学技术、工艺设计、材料、加工制造等方面的综合配套能力。装备制造业和商品化的迫切性可以归纳为如下几点: l 每年有大量的从摇瓶到不同大小的实验室生物反应器进行生物技术的实验室研究或中试放大的项目,这些项目有的已购买设备,但需要维修,有的则需新添有关装置。 l 每年有相当数量的生物技术工程项目投入,需要大量的用于生产的生物反应器,传统生物技术的生物反应器一般体积较大(几十M3到上百M3),而现代生物技术所需的反应器装置体积较小,但技术要求高。 l 随着不同产品过程优化与放大技术研究的进展,迫切需要新设计原理的生物反应器发挥作用。由此,必需有不断更新技术的生物反应装置推向市场,或者对现有生物反应器生产装置进行新技术改造,这也是包括制药、食品、轻工在内的传统产业现代生物技术改造的主要内容之一。 l 随着生物技术的发展,需要性能更高的生物反应器,例如哺乳类动物细胞大规模培养是当前高附加值的糖基化活性蛋白医药产品的发展趋势,如何开发适应动物细胞特殊需要的生物反应器并商品化就成为迫切需要

植物生物反应器的研究进展及发展方向

植物生物反应器的研究进展及发展方向 姓名 (内蒙古科技大学生物技术系) 摘要利用转基因植物作为生物反应器生产外源蛋白,包括抗体、疫苗、药用蛋白等较之其他生产系统具有很多优越性。本文简介了植物生物反应器的研究发展历史和现状, 并对植物生物反应器领域的发展作了一定的展望和讨论。 关键词植物抗体; 口服疫苗; 药用蛋白;转基因; 生物反应器 植物生物反应器是生物反应器研究领域中的一大类, 是指通过基因工程途径, 以常见的农作物作为化学工厂,通过大规模种植生产具有高经济附加值的医用蛋白、工农业用酶、特殊碳水化合物、生物可降解塑料、脂类及其他一些次生代谢产物等生物制剂的方法[1]。 1 植物生物反应器研究内容 1.1植物抗体(plantibody) 抗体(antibody) 是动物体液中的一系列球蛋白,称为免疫球蛋白(Ig) 。它们可介导动物的体液免疫反应。在植物体内表达编码抗体或抗体片段(如Fab 片段和Fv 片段) ,获得的产物就称为植物抗体。植物抗体最大的优点是使生产抗体更加方便和廉价。尤其在生产单克隆抗体方面,利用植物生产要比杂交瘤细胞低廉的多。据估计,在250 m2 的温室中利用苜蓿生产IgG的成本约为500~600美元/ g ,而利用杂交瘤细胞生产抗体的成本约为5 000 美元/g 。因此,利用植物生产抗体具有广阔的市场前景。目前,利用转基因植物表达的抗体包括完整的抗体分子、分泌型抗体IgA、IgG、单链可变区片段(scFv) 、Fab 片段、双特异性scFv 片段以及嵌合型抗体等不同类型的抗体。 植物不仅作为生物反应器器生产抗体用于医药产业,而且植物抗体介导的免疫调节在植物抗病育种上也很值得研究。Fecker 等将抗甜菜坏色黄脉病毒(BNYVV) 的外壳蛋白基因的scFv 转化烟草,产生的scFv 定位于细胞质中或通过末端的连接信号肽而分泌到质外体,结果发现转scFv 的植株出现症状的时间明显迟于对照。Tavladoraki 等将抗菊芋斑驳病毒(AMCV) 的外壳蛋白基因的scFv 转入烟草后,发现感病率下降50~60 % ,出现症状的时间也明显迟于对照。LeGall 等将针对僵顶病植原体主要膜蛋白的scFv 转入烟草中,并通过细菌信号肽把scFv 定位到质外体,将转基因烟草接穗嫁接到被植原体侵染的砧木上,没有表现病症,而对照的非转基因接穗却出现严重的僵顶病症状甚至死亡。 另外,在植物细胞中表达具有催化或钝化酶和激素作用的抗体,从而对细胞代谢进行调节,这对于植物代谢机理的研究非常有用。Owen 等将植物光敏色素单链Fab 抗体转入烟草中,转基因烟草光敏色素下降40 % ,而且该转基因烟草种子表现出异常的依赖光敏色素萌发的能力。Shimada等在烟草内质网中高效表达了抗赤霉素前体分子A19/ 24 的scFv ,A19 和A24 分别是A1 和A4 的前体,转基因烟草中A1含量降低并表现矮化[2]。 1.2口服疫苗(edible vaccine)

植物细胞培养

植物细胞培养 一、定义 ●在离体条件下,将愈伤组织或其他易分散的组织置于液体培养基中进行振 荡培养,得到分散成游离的悬浮细胞,通过继代培养使细胞增殖,从而获得大量细胞群体的一种技术。 ●植物中含有数量极为可观的次生代谢物质,是各种色素、药物、香精、酶等天然 产物的主要来源。 ●植物细胞培养具有以下优点: 1、提高产率 2、缩短周期 3、提高产品质量 4、易于管理,减轻劳动强度 因此主要用于生产色素、药物、食品、酶、精细化工产品等次生代谢物。 二、培养基 常用MS培养基,另外还有B5、N6、NT、AA、KM8p等培养基 三、单细胞培养 1、制备方法 (1)机械法(机械磨碎、切割) (2)酶解法(目前最有效的获得单细胞方法) (3)愈伤组织诱导法(高频振动愈伤组织) 2、培养方法 (1)平板法(似微生物平板培养) (2)看护培养与饲养层培养法 看护培养:将单个细胞接种到滤纸上再置于愈伤组织之上进行培养。 饲养层培养:用处理过(如X射线)的无活性的或分裂很慢、不具分裂能力的细胞来饲养细胞。 (3)液体浅层静置培养法:将一定密度的悬浮细胞在培养皿中形成浅薄层,封口静止培养。

(4)细胞同步化:同一悬浮培养体系的所有细胞都同时通过细胞周期的某一特定时期。植物细胞在悬浮培养中的游离性较差,容易团聚进入不同程度的分化状态,因此要达到完全同步化相当困难。 ①低温法:冷处理可提高培养体系中细胞同步化程度。 ②分选法:通过细胞体积大小分级,直接将处于相同周期的细胞进行分选,然后将同一状态的细胞继代培养于同一培养体系中。 ③饥饿法:在一个培养体系中,如果细胞生长的基本成分丧失,则导致细胞因饥饿而分裂受阻,从而停留在某一分裂时期。 ④抑制剂法:通过一些DNA合成抑制剂处理细胞,如尿苷等,使细胞滞留在DNA 合成前期,当解除抑制后,即可获得处于同一细胞周期—G1期的同步化细胞。 3、保存 (1)继代培养(高等植物、海藻等) (2)低温( 5℃~10℃) (3)冷冻( -20℃或液氮) 植物细胞冷冻保存方法: 在冰浴条件下加入预冷的冰冻保护剂,密封,继续冰浴15min,在-40℃停留2h后投入-196℃液氮罐中保存。 植物细胞冷冻保护剂组成: 7.5%二甲基亚砜(DMSO)+0.5mol/L山梨醇+5%甘油+5%蔗糖 四、植物细胞培养的应用 1、生产药用植物代谢产物(紫杉醇、苷类等) 2、生产天然食品、食品添加剂(可可碱等) 3、生产杀虫剂、杀菌剂(鱼藤酮、除虫菊脂) 4、生产饲料、精细化工产品(桑叶、橡胶等) 五、植物细胞的生物反应器大规模培养 1、培养特性 (1)细胞本身特性(生长慢、易结团、易损伤、易污染) (2)培养液流变特性(黏度增高) (3)气体传递与影响(O2与CO2需平衡)

植物细胞生物反应器类型及特点

课程论文 课程名称:细胞工程 论文名称:植物细胞生物反应器类型及特点 姓名:刘珍豆 学号:110214208 班级:生工1102班 2014年4月14日

目录 一、植物细胞悬浮培养反应器------------------3 1、机械搅拌式反应器---------------------3 2、非机械搅拌式反应器--------------------4 2、1、气升式反应器----------------------4 2、2、鼓泡式反应器-----------------------5 2、3、转鼓式反应器----------------------------------------5 二、植物细胞固定化生物反应器:-------------------5 1、流化床生物反应器----------------------------6 2、填充床生物反应器---------------------------7 3、膜生物反应器-------------------------------7 3、1、中空纤维生物反应器---------------------7 3、2、螺旋卷绕生物反应器--------------------8 3、3、管式膜反应器--------------------------8 三、当前生物反应器的发展前沿 -------------------8

一、植物细胞悬浮培养生物反应器 1、机械搅拌式生物反应器:其原理是利用机械搅动使细胞得以悬浮和通气;反应器的结构一般由柱状外壁和中心轴上垂直附加的叶轮组成,其主要优点是:搅拌充分,供养和混合效果好,溶氧系数KLa>100/h,反映器中的温度、pH及营养物的浓度较其它反应器容易调节,并可以直接借用微生物培养的经验进行研究和控制。 搅拌式反应器主要适用于对剪切力耐受性较强的细胞,如烟草细胞,水母雪莲细胞等; 由于大多数的植物细胞的细胞壁对剪切力较敏感,易造成细胞损伤,所以在利用搅拌式反应器时需要对搅拌桨叶进行改进,一般可以通过改变搅拌形式、叶轮结构与类型等减小因搅拌而产生的剪切力。一般认为涡叶轮好于平叶轮,平叶轮好于螺旋状叶轮;机械搅拌式生物反应器的结构图为

常用的五种动物细胞培养方式

?一、半连续式培养 1.半连续式培养又称为重复分批式培养或换液培养。采用机械搅拌式生物反应器系 统,悬浮培养形式。在细胞增长和产物形成过程中,每间隔一段时间,从中取出部分培养物,再用新的培养液补足到原有体积,使反应器内的总体积不变。这种类型的操作是将细胞接种一定体积的培养基,让其生长至一定的密度,在细胞生长至最大密度之前,用新鲜的培养基稀释培养物,每次稀释反应器培养体积的1/2~3/4,以维持细胞的指数生长状态,随着稀释率的增加培养体积逐步增加。或者在细胞增长和产物形成过程中,每隔一定时间,定期取出部分培养物,或是条件培养基,或是连同细胞、载体一起取出,然后补加细胞或载体,或是新鲜的培养基继续进行培养的一种操作模式。剩余的培养物可作为种子,继续培养,从而可维持反复培养,而无需反应器的清洗、消毒等一系列复杂的操作。在半连续式操作中由于细胞适应了生物反应器的培养环境和相当高的接种量,经过几次的稀释、换液培养过程,细胞密度常常会提高。 2.半连续式特点: ·培养物的体积逐步增加; ·可进行多次收获; ·细胞可持续指数生长,并可保持产物和细胞在一较高的浓度水平,培养过程可延续到很长时间。该操作方式的优点是操作简便,生产效率高,可长时期进行生产,反复收获产品,可使细胞密度和产品产量一直保持在较高的水平。在动物细胞培养和药品生产中被广泛应用。 二、连续式培养 1.连续式培养是一种常见的悬浮培养模式,采用机械搅拌式生物反应器系统。该模 式是将细胞接种与一定体积的培养基后,为了防止衰退期的出现,在细胞达最大密度之前,以一定速度向生物反应器连续添加新鲜培养基;同时,含有细胞的培养物以相同的速度连续从反应器流出,以保持培养体积的恒定。理论上讲,该过程可无限延续下去。

普通生物学科目研究生考试大纲

普通生物学科目研究生考试大纲 本门课程总分150分,考试时间180分钟 一、考试内容-中国在职研究生招生网官网 本课程包括三部分内容:普通生物学、植物生物学、动物生物学,第一部分为主体,分值在90分左右(主要考查对生物学一般概念、原理的掌握程度,生态学部分不在本课程考查范围之内),后两部分分值各占30分左右(主要考查考生对动植物结构、功能和主要分类群典型特征的掌握程度)。 第一部分普通生物学 (一)绪论:生物界与生物学 1. 生物的特征 2. 生物界是一个多层次的组构系统 3. 把生物界划分为5个界 4. 生物和它的环境形成相互联结的网络 5. 在生物界巨大的多样性中存在着高度的统一性 6. 研究生物学的方法 7. 生物学与现代社会生活的关系 (二)细胞 1.生命的化学基础 1)原子和分子 2)组成细胞的生物大分子 3)糖类 4)脂质 5)蛋白质 6)核酸 2. 细胞结构与细胞通讯 1)细胞的结构 2)真核细胞的结构 3)生物膜——流动镶嵌模型 4)细胞通讯 3. 细胞代谢 1)能与细胞 2)酶

3)物质的跨膜转运 4)细胞呼吸 5)光合作用 5. 细胞的分裂和分化 1)细胞周期与有丝分裂 2)减数分裂将染色体数由2n减为n 3)个体发育中的细胞 (三)动物的形态与功能(重点参阅动物生物学部分) 1. 高等动物的结构与功能 1)动物是由多层次的结构所组成的 2)动物的结构与功能对生存环境的适应 3)动物的外部环境与内部环境 2. 营养与消化 1)营养 2)动物处理食物的过程 3)人的消化系统及其功能 4)脊椎动物消化系统的结构与功能对食物的适应 3. 血液与循环 1)人和动物体内含有大量的水 2)血液的结构与功能 3)哺乳动物的心脏血管系统 4. 气体交换与呼吸 1)人的呼吸系统的结构与功能 2)人体对高山的适应 3)危害身体健康的呼吸系统疾病 5. 内环境的控制 1)体温调节 2)渗透调节与排泄 6. 免疫系统与免疫功能 1)人体对抗感染的非特异性防卫 2)特异性反应(免疫应答) 3)免疫系统的功能异常 7. 内分泌系统与体液调节 1)体液调节的性质

常用的五种动物细胞培养方式

一、半连续式培养 1.半连续式培养又称为重复分批式培养或换液培养。采用机械搅拌式生物反应器系 统,悬浮培养形式。在细胞增长和产物形成过程中,每间隔一段时间,从中取出部分培养物,再用新的培养液补足到原有体积,使反应器内的总体积不变。这种类型的操作是将细胞接种一定体积的培养基,让其生长至一定的密度,在细胞生长至最大密度之前,用新鲜的培养基稀释培养物,每次稀释反应器培养体积的1/2~3/4,以维持细胞的指数生长状态,随着稀释率的增加培养体积逐步增加。或者在细胞增长和产物形成过程中,每隔一定时间,定期取出部分培养物,或是条件培养基,或是连同细胞、载体一起取出,然后补加细胞或载体,或是新鲜的培养基继续进行培养的一种操作模式。剩余的培养物可作为种子,继续培养,从而可维持反复培养,而无需反应器的清洗、消毒等一系列复杂的操作。在半连续式操作中由于细胞适应了生物反应器的培养环境和相当高的接种量,经过几次的稀释、换液培养过程,细胞密度常常会提高。 2.半连续式特点: ·培养物的体积逐步增加; ·可进行多次收获; ·细胞可持续指数生长,并可保持产物和细胞在一较高的浓度水平,培养过程可延续到很长时间。该操作方式的优点是操作简便,生产效率高,可长时期进行生产,反复收获产品,可使细胞密度和产品产量一直保持在较高的水平。在动物细胞培养和药品生产中被广泛应用。 二、连续式培养 1.连续式培养是一种常见的悬浮培养模式,采用机械搅拌式生物反应器系统。该模 式是将细胞接种与一定体积的培养基后,为了防止衰退期的出现,在细胞达最大密度之前,以一定速度向生物反应器连续添加新鲜培养基;同时,含有细胞的培养物以相同的速度连续从反应器流出,以保持培养体积的恒定。理论上讲,该过程可无限延续下去。

植物细胞悬浮培养技术

植物细胞悬浮培养技术 一、基本原理 利用固体琼脂培养基对植物的离体组织进行培养的方法在某些方面还存在一些缺点,比如在培养过程中,植物的愈伤组织在生长过程中的营养成分、植物组织产生的代谢物质呈现一个梯度分布,而且琼脂本身也有一些不明的物质成分可能对培养物产生影响,从而导致植物组织生长发育过程中代谢的改变而利用液体培养基则可以克服这一缺点,当植物的组织在液体培养基中生长时,我们可以通过薄层震荡培养或向培养基中通气用以改善培养基中氧气的供应。植物细胞的悬浮培养是指将植物细胞或较小的细胞团悬浮在液体培养基中进行培养,在培养过程中能够保持良好的分散状态。这些小的细胞聚合体通常来自植物的愈伤组织。 一般的操作过程是把未分化的愈伤组织转移到液体培养基中进行培养。在培养过程中不断进行旋转震荡,一般可用100~12Or/min 的速度进行。由于液体培养基的旋转和震荡,使得愈伤组织上分裂的细胞不断游离下来。在液体培养基中的培养物是混杂的,既有游离的单个细胞,也有较大的细胞团块,还有接种物的死细胞残渣。 在液体悬浮培养过程中应注意及时进行细胞继代培养,因为当培养物生长到一定时期将进入分裂的静止期。对于多数悬浮培养物来说,细胞在培养到第18~25d 时达到最大的密度,此时应进行第一次继代培养。在继代培养时,应将较大的细胞团块和接种物残渣除去。若从植物器官或组织开始建立细胞悬浮培养体系,就包括愈伤组织的诱导、继代培养、单细胞分离和悬浮培养。目前这项技术已经广泛应用于细胞的形态、生理、遗传、凋亡等研究工作,特别是为基因工程在植物细胞水平上的操作提供了理想的材料和途径。经过转化的植物细胞再经过诱导分化形成植株,即可获得携带有目标基因的个体。 二、器材 超净工作台、高压蒸汽灭菌器、恒温培养箱、磁力搅拌器、恒温空气摇床、镊子、锥形瓶、水稻种子 三、操作步骤 1.配制培养基 按照培养基配方取各种药品,最后用蒸馏水定容到所需体积。所配制的培养基经高压蒸汽灭菌后备用,固体琼脂培养基分装在250mL 的锥形瓶内,每瓶约分装30mL。 2.水稻种子的消毒 (1)将种子置于无菌的培养皿内,以体积分数95%的酒精消毒1~2min。 (2)取出后用无菌水冲洗2~3 遍。 (3)将种子放入25.0g/L 的次氯酸钠溶液中轻轻摇动后,浸泡60min 。 (4)取出后用无菌水冲洗,将次氯酸钠溶液充分洗净。 3. 接种 在超净工作台内,将灭菌后的水稻种子接到诱导愈伤组织的固体培养基上,每个培养瓶接5~10 粒种子。接种完毕后用封口膜将培养瓶封好,放在26℃的恒温培养箱中进行黑暗培养。 4.悬浮培养的开始: 当得到愈伤组织后,将其转人到AA 液体培养基中。注意愈伤组织块应小于3mm . 若组织块较大可用无菌解剖刀将其分割成小块。液体培养基分装在250mL 的锥形瓶内.接种完毕后将瓶口用封口膜封好,把培养瓶放到恒温摇床上进行震荡培养。调整摇床的旋转速度,使之为120r/min。培养温度为26℃,在黑暗中培养。 5.悬浮培养物的保持 进行悬浮培养后要不断进行观察,由于培养物的继代培养与培养瓶内培养物的密度及细胞

普通生物学复习题(植物学部分)

一、名词解释 1、传递细胞小脉附近出现的特化的有利于吸收和短途运输作用的薄壁组织细胞,成为叶肉和输导组织之间物质运输的桥梁。 2、叶迹叶迹leaf trace (又称“叶脉”)高等植物茎的节上长有叶片时,从茎分出进入叶片的维管束称为叶迹 3、叶痕通常指鳞木类叶座中上部心型或菱形微凸成低锥形的部分。包括维管束痕和侧痕,是叶子脱落时离层留下的痕迹。 4、心材木本植物茎木质部的中央部分,这部分木质部已失去输导水分的能力,心材的颜色比边材深。 5、凯氏带初生壁上的一种含木栓质的带状加厚结构。一般在根的内皮层细胞的径向和横向壁上具有这种结构。 6、外始式根的初生木质部在发育过程中,是由外向心逐渐分化成熟的,外方先成熟的部分为原生木质部,内方后成熟的为后生木质部,这种分化方式称为外始式。 7、内起源植物的侧根通常起源于母根的中柱鞘,发生于根的内部组织,这种起源方式称为内起源。 8、边材次生木质部的边缘部分,颜色较浅,含生活细胞并有贮藏功能,导管、管胞具输导功能。 9、胚幼小的植物体,它是种子最主要的部分,有胚芽胚轴子叶胚根组成。种子萌发后胚发育成幼苗。 10、上胚轴与下胚轴在胚和幼苗中,子叶着生处以上的茎轴部分是上胚轴。 11、侵填体导管或管胞附近的薄壁细胞,自纹孔处进入导管或管胞腔内,并有单宁,树脂等物质沉积,最后把整个细胞腔堵塞,是导管或管胞失去输导水分的能力。由于侵填体的形成使木材坚硬耐腐。 12、气孔器气孔及其周围的副卫细胞一起组成一个气孔器,或称为气孔复合体。 13、维管束维管束是由原形成层分化而来,以输导组织为主的复合组织,是由木质部和韧皮部或形成层组成的束状结构。 14、组织组织是一些在个体发育中来源相同,形态结构相似,共同担负着一定生理功能的细胞群组成的结构和功能单位。 15、假年轮由于外界气候条件变化或其他原因,暂时阻止了形成层的活动,后来又恢复活动,因此在同一个生长季节中又产生了第二个生长层,这就叫假年轮。 16、合轴分枝由许多腋芽发育而成的侧枝联合组成,称为合轴分枝。 17、离层植物落叶前在叶柄基部形成的一层结构。在这层结构中,细胞中层的果胶质分解,使相邻细胞的细胞壁分离,因而使叶自茎上脱落。 18、同功器官凡来源不同,但功能、形态相同或相似,这样的变态器官称同功器官。例如茎刺与叶刺,块根与块茎。 19、泡状细胞一种明显增大和薄壁的表皮细胞。在禾本科和其他许多单子叶植物表皮中常排列成纵行,细胞中具有一个大液泡,不具叶绿体。 20、平周分裂细胞分裂与根茎的周围最近切线处相平行,即与根茎表面平行的分裂,也称径向分裂。分裂的结果,增加细胞的内外层次,使器官加厚,他们的子细胞壁是切向壁。 21、聚合果一朵花中具有许多聚生在花托上的离生雌蕊,每一个雌蕊形成一个小果,小果聚生在花托上。如草莓 22、聚花果果实由整个花序发育而来,也称复果。如菠萝无花果等。 23、角果角果是十字花科植物特有的开裂干果,有二心皮的子房发育而来。 24、真果由子房发育来的果实叫真果。

植物细胞组织培养技术

植物细胞组织培养技术实验指导书 生物实验教学中心 主编:杨卫民 2009-06-01

目录 实验一、植物组织培养培养基母液的配制 (1) 实验二、植物组织培养的培养基配制 (5) 实验三、康乃馨的离体快繁 (9) 实验四、胡萝卜愈伤组织的建立 (14) 实验五、组织培养物的继代培养 (18)

实验一组织培养基母液的配制 一、仪器及药品 冰箱、天平(0.0001g) 容量瓶:1000ml,500ml、250ml、100ml、25ml 广口储液瓶:500ml、250ml、50ml、25ml 烧杯:1000ml、500ml、250ml、100ml、50ml 数十根玻璃搅棒、大药勺、小药勺或挖耳勺 标签纸、胶水、50%酒精、95%酒精、1mol/L盐酸、1mol/L NaOH 几种常用的培养基所需的大量元素、微量元素、有机物、激素、铁盐等药品 蒸馏水 二、方法和步骤: 按照培养基配方,把大量元素、微量元素、铁盐、有机物、植物激素分类,每一类 中各种药品分别称量,如N6培养基各种母液的配制步骤如下: 大量元素母液:包括用量较大的几种化合物〈见N6培养基配方〉,按表中排列顺序,将每种药品的用量扩大10倍,分别称取,分别溶解,然后按照顺序混合在一起。如钙盐等易发生沉淀的药品不能混合,应单位定容,最后加上蒸馏水,定容至1升或500毫升。在定容时注意用蒸馏水洗净烧杯和玻璃搅棒以减少误差。定容后的溶液为大量元素母液,配制培养基时,每配1L培养基需吸取该母液l00ml或50ml。 微量元素母液:因用量少,为了称量精确和方便,常配成100倍或1000倍的母液,即每种药品扩大l00倍或者l000倍。逐个溶解,混合在一起成为微量元素母液,每配1L N6培养基需吸取该母液10ml或者1ml。 铁盐:在N6培养基中需要单独配制,它是由硫酸亚铁(FeSO4?7H2O)2.78g和乙二氨四乙酸二钠(Na2-EDTA)3.73g,分别溶解,混合后,用酒精灯加热半小时以上,冷却后定容至1L。冰箱过夜贮藏无结晶析出,否则重新配制。每配l升N6培养基需加该铁盐母液5 ml。 有机物质:主要指氨基酸,维生素类物质。它们大都是扩大1000倍,分别称量,分别定容和储存,配制培养基时按需要的量加入。 植物激素:常用的有生长素类如:2,4-D、萘乙酸(NAA)、吲哚乙酸(IAA)、吲

细胞培养用生物反应器

细胞培养用生物反应器 细胞培养用生物反应器 2010年12月22日 1、发展大规模细胞培养及其生物反应器 借助于细胞培养进行各种产品生产已是我国生物技术产业化的重要组成部分,涉及医药、化工、轻工、食品、农业、海洋、环保等行业。培养的细胞不仅只是微生物,用于生物技术产品生产的动物细胞、植物细胞和藻类细胞大规模培养已引起了大家重视,显露出令人鼓舞的前景。而且随着生物技术的发展,在人类今后发现的一切具有生物活性的物质都可以借助于细胞培养方法得到。它们可以是细胞代谢产物、生物转化、酶或某基因表达产物。 此外,随着人类社会经济发展,如果没有基于科技进步的大力开发,能源和资源将难以支撑人类社会进一步发展的目标,人类社会的发展必须将基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济。这种能源结构和资源结构的转变将直接关系到我国经济的可持续发展,社会的稳定、和国家安全。解决上述问题的最有效方法就是发展工业微生物,只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。 显而易见,要进行这些产品的生产,无不涉及到细胞代谢与大规模培养研究。为了提高生产水平,除了获得高生产能力的细胞株外,生物反应器是重要的核心技术,必需提供有利于生物过程研究的装置技术和高效节能的生产装置。但是在生物技术产业化平台中,细胞大规模培养技术等中下游技术是我国最薄弱的技术环节之一,以我国生物医药等领域产业化来说,与先进国家的差距是全面的。滞后的一个重要原因之一就是缺乏相配套工艺的工业化放大技术研究和相应的装备技术支撑。例如以哺乳类细胞培养技术来看,西方国家基因工程抗体的开发已经进入大规模细胞反应阶段,细胞工程研究规模已经达到1000L以上,基因工程抗体的生产反应系统最大规模达到20000L以上。相形之下,我国多数药物开发单位的细胞反应规模仍停留在2-30L规模,100L 的培养技术还不稳定,长期以来都是照抄照搬国外的技术和进口国外设备。国内只能生产一些低档装置, 仅靠科研成果模仿和基础科学的跟随。 与其他各行业的装备制造业一样,生物反应器为生物技术产业再生产和扩大再生产提供共性技术和关键技术,它的发展水平也反映了国家在科学

转基因动植物生物反应器 综述

转基因动植物生物反应器 生物技术1002 摘要:生物反应器,指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备,它是生物反应过程中的关键设备。随着转基因技术问世,生物反应器不再局限于传统“冷冰冰”的设备,而是富有生命特性的动植物。动植物生物反应器指的是通过基因工程途径以常见的农作物或者活体动物,高效表达某种器官或组织,进行工业化生产功能蛋白等生物制剂。本文为大家阐述了转基因动植物反应器的优缺点,研究进展及其应用。 关键词:转基因动物反应器,转基因植物反应器,优缺点,研究进展,应用 一、转基因动植物生物反应器的优缺点 1.1转基因动物生物反应器的优点 1易养殖,实现大规模制备。 2通过乳腺和血液制备活性物质简单易行。 3可以通过动物细胞培养实现大量制备。 4产量高,转基因动物在每升乳汁中可得几十克产物,而转基因植物,微生物在每升培养液中只能获得几毫克。 5成本低,用细菌、酵母菌或动物细胞生产基因工程药物,反应条件要求严格,而转 基因动物只需要正常饲养。 6用于转基因动物制药的受体牛、羊、猪等哺乳动物,与人类亲缘关系比细菌、酵母 菌要近的多,所以其产品具有与人体自身产生的蛋白相同的生物学活性川。 7用转基因动物培植活体器官和组织,用于更替人体患病的器官和组织。 1.2转基因动物生物反应器的缺点 1细胞培养需要昂贵的培养基和设备。 2转基因动物制备成本昂贵。 3转基因动物易产生一些伦理问题。 4目前转基因动物的研究存在理论基础薄弱、技术不完善等问题"使得转入的基因在受体动物基因组中存在着随机整合、调节失控、遗传不稳定、表达率不高等问题。为确保转入的基因能得到高效表达并完全整合,关键是基因构建和位点整合。 5转基因表达产物的分离与纯化也存在问题,可能会出现要纯化的产物含量低的现象,还要确保去除引起人类变态反应的非人类蛋白。 6转基因表达产物的结构和生物活性是否与人体蛋白相似#转基因产品必须与人体产生的蛋白高度相似,以免人体对它产生免疫反应。 2.1转基因植物生物反应器的优点 1 比较廉价利用植物生产系统容易大规模生产来自动物、人类、细菌、病毒等的外源蛋白,成本低廉。植物是最经济的蛋白质生产系统 2 合成外源蛋白相对比较安全细菌作为生物反应器时,不能对真核生物的蛋白进行有效的翻译后加工,而且本身可能是人类病原物。植物生物反应器的表达产物具有无毒性和副作用,安全可靠,无残存DNA和潜在致病致癌性 3 植物转基因操作和克隆技术比较成熟在克隆技术方面,转基因动物的克隆还处于起步阶段,然而植物的克隆技术如组织培养、器官培养、细胞培养等已相当成熟。 4植物可以大规模种植,而且产物贮藏在种子、果实、块茎中便于贮运 5植物具有完整的真核细胞表达系统 6转基因植物自交后可得到稳定遗传的遗传性状。

动物细胞培养生物反应器的操作模式

动物细胞培养生物反应器的操作模式 米力 第四军医大学细胞工程中心,国家863西安细胞工程基地 陕西西安,710032 动物细胞培养工艺的选择首先考虑的重要一点是该产品所涉及的生物反应器系统。选择反应器系统也就是选择产品的操作模式,操作模式选择将决定该产品工艺的产物浓度、杂质量和形式、底物转换度、添加形式、产量和成本,工艺可靠性等。与许多传统的化学工艺不同,动物细胞反应器设备占整个工艺资金总投入的主要部分(>50%),也就是说动物细胞培养工艺的选择主要部分是生物反应器系统的选择。选择反应器系统及培养工艺时,必须对工艺的整体性进行全面考虑,主要包括以下几个方面:细胞株及生长形式、产物表达量和稳定性,培养基质及代谢物,产物分离和纯化难度等。 动物细胞大规模培养的生物反应器操作模式,一般分为分批式操作(batch)、流加式操作(Fed-batch)、半连续式操作(semi-continuous)、连续式操作(continuous)和灌流式操作(perfusion)五种操作模式。 1. 批式操作(batch culture) 批式操作是动物细胞规模培养发展进程中较早期采用的方式,也是其它操作方式的基础。该方式采用机械搅拌式生物反应器,将细胞扩大培养后,一次性转入生物反应器内进行培养,在培养过程中其体积不变,不添加其它成分,待细胞增长和产物形成积累到适当的时间,一次性收获细胞、产物、培养基的操作方式。 该方式的特点:(1) 操作简单。培养周期短,染菌和细胞突变的风险小。反应器系统属于封闭式,培养过程中与外部环境没有物料交换,除了控制温度、pH值和通气外,不进行其他任何控制,因此操作简单,

普通生物学简答题(植物)(教育教学)

普通生物学简答题(植物学部分) 1、表解种子的基本结构,并指出各部分的主要作用。 答题要点: 种子的基本结构 种皮保护功能 胚芽由生长点和幼叶组成。禾本科植物有胚芽鞘。 种子胚轴连接胚根胚芽和子叶。(上胚轴—子叶着生点至第一片真叶之间部分,胚下胚轴—子叶着生点至胚根之间的部分) 胚根由生长点和根冠组成。禾本科植物有胚根鞘。 子叶有单,双和多数,功能是贮藏(大豆),光合作用(棉),消化吸收转运胚乳物质(水稻,蓖麻) 胚乳有或无。功能是贮藏营养物质(糖类—淀粉,糖,半纤维素)油脂和蛋白质。 2、简述种子萌发必须的外界条件。 答题要点:成熟的种子,只要条件适宜,便会萌发形成为幼苗。但风干了的种子,一切生理活动都很微弱,胚的生长几乎完全停止,处于休眠状态。种子要萌发,胚就要由休眠状态转为活动状态,这就需要有适宜的萌发条件。种子的萌发条件分内部条件及外界条件两方面:⑴内部条件种子本身必须具备健全的发芽力。⑵外界条件主要表现在三方面①充足的水分;水是种子萌发的先决条件。水不仅可使干燥的种皮松软,有利于胚芽、胚根的突破,更重要的水是原生质的重要组成成分。充足的水分可使原生质恢复活性,正常地进行各种生命活动;其次种子内的各种贮藏物,只有通过酶的水解或氧化,才能由不溶解状态转变为可为胚吸收、利用的溶解状态,而这更需要水的参加。 ②足够的氧气。种子萌发时,其一切生命活动都需要能量,而能量来源于呼吸作用。种子在呼吸过程中,利用吸入氧气,将贮藏的营养物质逐步氧化、分解,最终形成为CO2和水,并释放出能量。能量便供给各项生理活动。所以,种子萌发时,由于呼吸作用的强度显著增加,因而需要大量氧气的供应。如果氧气不足,正常的呼吸作用就会受到影响,胚就不能生长,种子就不能萌发。③适宜的温度。种子萌发时,细胞内部进行着复杂的物质转化和能量转化,这些转化都是在酶的催化作用下进行的。而酶的催化活动则必须在一定的温度范围内进行。温度低时,反应慢或停止,随着温度的升高,反应速度加快。但因酶本身也是蛋白质,温度过高,会使其遭受破坏而失去催化性能。因此,种子萌发时对温度的要求表现出最低、最高及最适点(温度三基点)。多数植物种子萌发的最低点:0-5℃,最高点:35-40℃,最适点:25-30℃。可见,温度不仅是种子萌发时必须具备的重要条件,而且还是决定种子萌发速度的重要条件。 3、子叶出土幼苗与子叶留土幼苗主要区别在哪里?了解幼苗类型对农业生产有什么指导意义? 答题要点;子叶出土幼苗与子叶留土幼苗主要区别在上下胚轴的生长速度不同。下胚轴生长速度快,子叶出土幼苗类型;上胚轴生长速度快,子叶留土幼苗类型。了解幼苗类型对农业生产中播种很有意义。对于子叶出土幼苗的种子宜浅播;而对于子叶留土幼苗的种子可稍深播,但深度应适当。 4、影响种子生活力的因素有哪些?种子休眠的原因何在?如何打破种子的休眠? 答题要点:影响种子生活力的因素有植物本身的遗传性;种子的成熟程度、贮藏期的长短、贮藏条件的好坏等等。种子形成后虽已成熟,即使在适宜的环境条件下,也往往不能立即萌发,必须经过一段相对静止的阶段才能萌发,种子的这一性质称为休眠。种子休眠的原因主要是种皮障碍;胚未发育完全;种子未完成后熟;以及种子内含有抑制萌发的物质等。生产上可用机械方法擦破种皮或用浓硫酸处理软化种皮;低温处理;人工施用赤霉素等方法打破种子的休眠。 5、绘小麦颖果纵切的轮廓图,注明各个部分的名称。 答案要点(图略):果皮和种皮、胚乳、子叶、胚芽鞘、胚芽、胚轴、胚根、胚根鞘。 6、举4个以上例子说明高等植物细胞的形态结构与功能的统一性。 答题要点:如植物的叶片,其细胞的形态结构与功能的是统一的,表现在:叶片多为绿色的扁平体,其内分布有叶脉,这与叶片光合作用功能是密切相关的,扁平体状,利于叶片充分接受阳光,叶脉支持功能可使叶片充分伸展在空间。叶片结构可分为表皮、叶肉和叶脉。表皮细胞排列紧密,细胞外壁有角质层,利于表皮的保护作用。叶肉细胞富含叶绿体,主要功能是光合作用。叶脉中有木质部和韧皮部,利于叶脉执行输导和支持的功能。

动物细胞培养生物反应器的操作模式讲课讲稿

动物细胞培养生物反应器的操作模式

动物细胞培养生物反应器的操作模式 米力 第四军医大学细胞工程中心,国家863西安细胞工程基地 陕西西安,710032 动物细胞培养工艺的选择首先考虑的重要一点是该产品所涉及的生物反应器系统。选择反应器系统也就是选择产品的操作模式,操作模式选择将决定该产品工艺的产物浓度、杂质量和形式、底物转换度、添加形式、产量和成本,工艺可靠性等。与许多传统的化学工艺不同,动物细胞反应器设备占整个工艺资金总投入的主要部分(>50%),也就是说动物细胞培养工艺的选择主要部分是生物反应器系统的选择。选择反应器系统及培养工艺时,必须对工艺的整体性进行全面考虑,主要包括以下几个方面:细胞株及生长形式、产物表达量和稳定性,培养基质及代谢物,产物分离和纯化难度等。 动物细胞大规模培养的生物反应器操作模式,一般分为分批式操作(batch)、流加式操作(Fed-batch)、半连续式操作(semi-continuous)、连续式操作(continuous)和灌流式操作(perfusion)五种操作模式。 1. 批式操作(batch culture) 批式操作是动物细胞规模培养发展进程中较早期采用的方式,也是其它操作方式的基础。该方式采用机械搅拌式生物反应器,将细胞扩大培养后,一次性转入生物反应器内进行培养,在培养过程中其体积不变,不添加其它成分,待细胞增长和产物形成积累到适当的时间,一次性收获细胞、产物、培养基的操作方式。

该方式的特点:(1) 操作简单。培养周期短,染菌和细胞突变的风险小。反应器系统属于封闭式,培养过程中与外部环境没有物料交换,除了控制温度、pH值和通气外,不进行其他任何控制,因此操作简单,容易掌握;(2)直观的反应细胞生长代谢的过程。由于培养期间细胞的生长代谢是在一个相对固定的营养环境,不添加任何营养成分,因此可直观的反应细胞生长代谢的过程,是动物细胞工艺基础条件或"小试"研究常用的手段;(3)可直接放大。由于培养过程工艺简单,对设备和控制的要求较低,设备的通用性强,反应器参数的放大原理和过程控制,比较其它培养系统较易理解和掌握,在工业化生产中分批式操作是传统的、常用的方法,其工业反应器(Genetech)规模可达12000L。 分批培养过程中,细胞的生长分为五个阶段:延滞期、对数生长期、减速期、平稳期和衰退期,见图1。分批培养的周期时间多在3~5天,细胞生长动力学表现为细胞先经历对数生长期(48~72h)细胞密度达到最高值后,由于营养物质耗劫或代谢毒副产物的累积细胞生长进入衰退期进而死亡,表现出典型的生长周期。收获产物通常是在细胞快要死亡前或已经死亡后进行。 图1 分批式培养动物细胞生长曲线

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