利用植物细胞培养生产次生代谢产物

相关专题

细胞培养 （Cell Culture）专题：
http://ask.bbioo.com/special/experiment/Cell culture.htm

1. 植物 细胞大规模培养生产中药药用成分

植物中含有大量有用的次生代谢物质可以为人类提供药品、色素、调味品、香料、兴奋剂、杀虫剂等。仅就药物而言，全球约75％的人口依靠植物来防病治病。美国现有120多种处方药是植物药，欧洲也约有1／4的处方药来自植物。迅速兴起的植物细胞大规模培养技术是保存和发展中药材的一种可能途径。使用细胞大规模培养技术可以在可控的和可重复的条件下生产天然药物，而不会受到病虫害、地理、气候季节等因素的影响，并且产物分离、提取操作简单。科学家们在植物细胞大规模培养生产有用天然产物方面已做出了大量的工作，但是由于植物细胞生长缓慢，有效成分含量低，遗传稳定性差和对剪切力敏感等许多问题的存在，使得目前植物细胞培养生产天然药物的工业化仍受到一定的限制。

因此，如能解决以上问题实现工业放大，利用植物细胞大规模培养生产中药药用成分将大有可为。现在植物细胞悬浮培养已经能够进行小规模的生产，而且些药用植物种类都已接近工业化，如从希腊毛地黄细胞培养物通过生物转化生产地高辛、从日本黄连细胞培养物中生产黄连碱、从人参根细胞中生产人参皂苦等；相当种类的药用植物细胞大量培养已达到中试水平如长春花生产吲哚碱、丹参生产丹参酮、青蒿生产青蒿素、红豆杉生产紫杉醇、紫草生产萘醒、三七生产皂昔等。自从1991年Christen等人申请了有关红豆杉组织培养的第一个专利以来，全世界已有数十家实验室正在进行 10个红豆杉属组织培养的研究。近年来紫杉醇含量已提高了100多倍，达到153 mg／L，已开始进行工业化生产。

通过筛选高产细胞系、改进培养条件和技术，以及设计适合植物细胞培养的发酵罐，人们已对包括紫草、长春花、毛地黄、黄连等在内的多种药用植物细胞进行大规模生产实验，有的已成商品投入市场。为了加速植物细胞培养技术商业化生产进程，各国科学家们一方面不断改进培养技术，如控制培养的气相环境，加入刺激剂，加入大孔树脂吸附剂等；一方面发展新的培养方法，如高密度培养、连续培养和固定化养等以期得到一种适会于植物细胞工业生产的培养方法。随着研究的不断发展，植物细胞大规模培养成为一种成熟的工业化生产方式已经为期不远了。同时，代谢产物生物合成的基础研究越来越受到重视，特别是有关酶的确定和分离，不仅为控制代谢途径提供了科学依据，而且为利用基因工程手段操纵代谢途径打下了重要基础。

2. 利用发根农杆菌遗传转化获得毛状粮生产次生代谢产物

由发根农杆菌（Agrobacterium rhizogenes ）感染双子叶植物形成的毛状根，在最近十年已发展成继细胞培养后又一新的培养系统。毛状根生长迅速，遗传性稳定和生化特性不易改变的特性，越来越受到人们的重视。这一培养系统对传统药材来讲更为重要。因为约三分之一的传统药材是植物的根部。目前已在长春花、烟草、紫草、人参、曼陀罗、颠茄、丹参、黄花、甘草和青蒿等四十多种植物中建立了毛状根培养系统。

毛状根大规模培养技术的主要问题之一是物质转移。由于培养对象是相互连结的非均匀物质，因此流体力学性质明显不同于悬浮培养细胞。大规模培养使用的发酵罐有多种类型，其中以气升式效果为佳。在提高毛状根中次生物质数量的研究中，发展了培养基连续流动、双液相发酵等新的培养技术；利用大孔树脂做为吸附剂的培养方法也有报道。

3. 次生代谢途径的基因工程

传统药材合有的有效成分绝大部分是次生代谢产物，它们的合成途径非常复杂，往往有几个或十几个酶参与，因而找出形成特定产物的关键酶就成为利用基因工程技术生产传统药材有效成分的关键步骤之一，而寻找关键酶的基因工程技术生产传统材有效成分的关键步骤之一，而寻找关键酶的基因，选用合适的载体和在受体适当部位表达的研究也是十分关键的内容。Hashimoto等将天仙子胺6-β-羟基化酶基因通过Ri质粒转移到富含天仙子胺的莨菪毛状根中，与对照级相比，莨菪胺含量增加了五倍。

此外，利用植物作为一个生物反应器而使外源基因表达的研究热点正在兴起，已有一些来自细菌、动物和人类的某些抗原、抗体和特异蛋白编码的外源基因在转基因的植物中得到表达，如a一栝楼素、血管紧张肽转化酶抑制剂、抗体、细菌和病毒的抗原、脑菲肽、表皮生长因子、促红细胞生长素、生长激素、人血清蛋白、干扰素和水蛭素等。目前这些实验大都以烟草作为受体植物进行的，再加上表达效率较低，因而还很难表现出它们的应用价值。随着表达效率的提高和受体植物范围的不断扩大，必定会给传统药材加入新的遗传特性的研究带来新的动力。

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