植物生物反应器的研究进展及应用

植物生物反应器的研究进展及应用

王勇

（广西工学院生化系20110401022）

摘要：随着植物转基因技术的发展，将植物体作为生物反应器生产有用的生化产物是当今生命科学技术研究中最热门的领域。植物生物反应器是近年来生物技术领域新的研究方向，利用农作物进行疫苗、药用蛋白的生产，具有广阔的市场前景和商业价值。植物系统具有低成本、安全和易规模化优势，其表达生物活性药用蛋白能力已被许多研究所证实；同时，植物药用蛋白产品还表现出潜在的市场和广阔应用前景。利用植物生物反应器生产药品是生物制药的一个分支，该技术通过基因工程植物生产药用蛋白质分子、肽和二级代谢物，具有成本低、规模化生产等优点。

关键词：植物生物反应器；转基因植物；重组蛋白；制药

随着人类经济社会的发展，对传统农业产品的要求也越来越高。现代生物技术，尤其是农业生物技术的迅速发展，对全球现有的农作物种植和生产结构能够产生重要影响。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。植物生物反应器就是利用植物这个系统，包括植物细胞、组织器官以及整株植物为工厂，来生产具有商业价值的生物制品，包括疫苗、抗体、药用蛋白等，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．据预测，未来5～1O年植物将成为临床治疗或诊断药品的主要生产系统。

1 植物生物反应器特点及优越性

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。科学家预测，不久的未来，植物生物反应器很可能成为生物化学药物及多种有用蛋白的重要生产系统。植物作为生产药用蛋白的生物反应器，为人类提供了一个更加安全和廉价的生产体系，与微生物发酵、动物细胞和转基因动物等生产系统相比，它具有许多潜在的优势。以生物学生产要求很高的疫苗为例，它的优点有：(1)技术较成熟，成本低廉，使用方便，易于推广；(2)植物具有完整的真核细胞表达系统，能准确地进行翻译后加工；(3)无须提取纯化过程，可直接食用免疫；(4)比传统的免疫途径更有效，植物细胞中的疫苗抗原通过胃内的酸性环境时可受到细胞壁的保护，直接到达肠内黏膜诱导部位，刺激黏膜和全身免疫反应；(5)安全性好，不需要注射器和针头之类的设备，避免了某些血液传播疾病。如果不以整株植物作为生产单位，而是用带有生产目的产物特性的植物细胞或组织作为生产单位，结合植物细胞培养和发酵工程方法，则可以像微生物发酵生产一样大规模工厂化生产目的产物。与人工栽培相比较，这种生产方式具有独特的优点：(1)节约自然资源，减少对土地资源的占用，同时不受地区、季节、气候等自然条件的影响；(2)细胞培养个体差异

小、试验周期短，便于控制，能节省人力、物力；(3)可以筛选高产的细胞株，并通过合理实施次生代谢过程的调控提高生产率。

植物生物反应器属于“分子农业”的范畴，广义上是指以植物悬浮细胞培养或整株植物为工厂大量生产具有重要功能的蛋白(如人或动物的疫苗、抗体、重要的氨基酸等)，或可作为食品添加剂、工业原料的植物次生代谢产物。狭义上是指以转基因的整株植物为工厂大量生产各种高价值的生物制品。与微生物生物反应器和动物生物反应器相比，植物生物反应器具有如下的优越性。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。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。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。因此，转基因植物作为生物反应器具有很大的优越性。

2 植物生物反应器研究现状

用作物作为生物反应器生产生物产品的研究与应用受到越来越多科研机构和商业公司的关注，美国种业巨头孟山都公司已经培育出一种达到药用蛋白标准的人类抗体的转基因玉米，每公顷该转基因玉米可产生3．7 kg抗体蛋白。相关医疗单位将向每个癌症患者志愿者注射该玉米种子来源的抗体蛋白药物做相应临床研究。植物主流表达系统有稳定核基因组转化、稳定叶绿体基因组转化和病毒瞬时转化3种，

三者各有特点，也各有不足。核基因组转化可以稳定遗传和具有较高级蛋白加工和修饰系统，不过外源蛋白表达水平低；叶绿体基因组转化可以实现外源蛋白高效表达、稳定遗传(胞质)和转基因花粉无逃逸风险，但无法完成复杂蛋白加工修饰，与原核生物类似；病毒瞬时转化，操作程序简单，也可以实现外源蛋白高效表达，但不能稳定遗传。植物表达重组蛋白显现出其巨大潜力和优势，不过受系统固有缺陷(表达量和蛋白修饰)和科学技术(蛋白分离纯化)限制，目前尚未开发出一种可以满足人们全部需求(理想)的植物平台。总体而言，植物源医药制品仍然处于临床前研究和标准制定阶段，尚没有应用于人类临床。第一个植物中表达的治疗性人类蛋白质是人类生长激素口．人血清白蛋白通常是从血液中分离，1990年首次在转基因烟草和马铃薯中产生[1 ．此后，许多蛋白质在植物中表达，包括表皮生长因子，用于治疗乙型肝炎和丙型肝炎a一，G一和一干扰素l，促红细胞生素口，治疗克罗恩病的白细胞介素口，治疗糖尿病的胰岛素，治疗Gaucher疾病的人类葡糖脑苷脂酶口等．200年，我国科学工作者首次在番茄果实中成功表达具有生物活性4连体胸腺素al(4×Ta1)E16]．抗菌保健品，如人乳铁蛋白和溶菌酶，目前已成功地在几种作物中达口，以精细化学品的形式问市．植物生物反应器制药的临床试验进展受到密切关注，行业观察家都认为，一个完全由植物制成的药物成功推向市场可以触发市场对该行业的关注．迄今为止，只有两个植物生物反应器生产的产品获得批准，一个是CaroRXTM，由Planet Bi0technoIogy公司生产的一种单克隆体，用于蛀牙治疗，在

欧洲以医疗设备授权销售，但尚未正式上市．另一个是重组人内源因子，用于治VB 缺乏．这一现状在一定程度上也反映了第一个植物生物反应器药物在审批过程中遇到的强大的障碍。转基因植物生物反应器已经被用于生产多种产品，包括激素、细胞分裂素、抗体、疫苗等生物活性物质，它还用于一淀粉酶、果糖、海藻糖等食品工业原料，甚至还有报道成功用作某些生物塑料原料的生产。2008年，我国科

学工作者首次在番茄果实中成功表达具有生物活性的4连体胸腺素，这是我国利用植物生物反应器表达药用蛋白的重要成果。

3 植物生物反应器在生物制药中的应用

利用植物生物反应器表达外源药用蛋白和疫苗，可解决许多药用蛋白和疫苗的来源问题，并降低生产成本，从而形成生物制药企业的核心竞争力，产生可观的经济效益。据测算，利用转基因植物生产药用重组蛋白的成本仅为利用大肠杆菌发酵生产成本的l／l0-1／50，因此利用植物生物反应器生产具有临床应用，笪的药用蛋白已成为生物制药产业重点开发的热点领域。在抢占生物经济制高点中显示了越来越重要的作用，具有极大的商业价值和市场前景，日益引起人们的广泛关注。发达国家，特别是美、英、日等国都已把应用植物生物反应器进行药物开发列入国家生物技术研究的战略性计划。农杆菌介导的核转化如果将编码某种病原体中能引起机体保护性反应蛋白的结构基因克隆到Ti质粒上，然后用这种重组质粒转化农杆菌，导入携带重组质粒的农杆菌感染植物细胞后，导入的外源基因可能整合到这些细胞的染色体上。含整合外源基因染色体的植物细胞在一定条件下可以

长成新的植株，此植株可以在生长过程中表达外源基因并将这种性状遗传给子代，成为表达疫苗的品系。植物和动物中的蛋白合成加工途径相对保守，植物可对人源化重组药物蛋白进行正确的加工处理，所产蛋白的生物活性高，很多复杂蛋白在微生物表达体系中不能正确的翻译、折叠、聚合，最终被降解或形成没有活性的包含体；而植物则具有生产任何复杂蛋白的潜能性．如在抗体生产中，不论是血清抗体，还是分泌型抗体，在植物中只需一种细胞就能正确装配，而在动物中则需要两种不同的细胞系来生产。转基因植物疫有两个研究方向：一是利用植物生产大量的蛋白质抗原，经分离提纯再制成疫苗；二是不需要分离提纯，将植物或其某部分作为可直接口服的疫苗。植物反应器生产的重组抗体既有小分子肽片段，也有结构复杂的多聚体蛋白质。植物生产抗体最大的优点是更加方便和廉价。大多数用细菌表达的抗体片段也已能够在植物中生产。利用转基因植物还可表达细胞因子、酶及其他药用蛋白和生物活性肽。到目前为止，已成功表达的蛋白有人胰岛素、红细胞生成素、干扰素、溶菌酶、人生长激素等。

4 植物生物反应器研究展望

植物生物反应器创造生物经济新时代，作物作为植物生物反应器大量生产外源目的蛋白具有广阔的研究价值和应用前景。全球生物技术飞速发展、生物产业不断壮大，尤其是朝气蓬勃的农业生物技术已经成为许多国家发展战略的重点，吸引着众多投资，生物经济已经成为国际经济竞争的焦点，逐步形成为与丁业经济、信息经济相对应的新经济形态。植物生物反应器在全面提升农业综合生产力上发挥着重要的

作用，植物生物反应器的深入开发，将现有植物功能体现出更大的利用价值，应用现代农业生物技术，能够有效地改造传统产业，提高经济效益，减少环境污染，培育一批新的生物产业。植物生物反应器生产药用蛋白还存在一些问题，但它已成为制药产业重点开发的热点领域之一。相信随着对其研究的不断深入，技术的不断发展，利用植物生物反应器生产药用蛋白将具有非常广阔的前景。

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