植物生物反应器生产药用蛋白研究概述

关键词： 反应器 植物 生物 指以

植物生物反应器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疫苗、抗体、氨基酸, 或作为食品添加剂、工业原料的植物次生代谢产物等[1]。

1 植物生物反应器表达系统

植物生物反应器的表达系统分为稳定的转化系统和瞬时转化系统。稳定的转化系统包括核转化系统、叶绿体转化系统。瞬时转化系统主要指病毒介导的瞬时表达体系[2]。

1.1 稳定的转化系统

1.1.1 核转化系统

核转化系统能稳定遗传, 有较高级蛋白加工和修饰系统, 但外源蛋白表达水平低[2]且有转基因花粉逃逸风险[3]。

1.1.2 叶绿体转化系统

叶绿体转化系统能够稳定遗传, 高效表达[2], 且不会因花粉传播造成污染[3]。叶绿体基因组小, 结构简单。一些高等植物的质体基因组全序列已被测定, 遗传背景清楚, 便于操作[3]。但叶绿体转化系统与原核生物类似, 无法完成复杂蛋白加工修饰[2]。

1.2 瞬时转化系统

病毒介导的瞬时表达体系可使外源蛋白高效表达, 且操作简单, 实验周期短, 见效快。一些病毒载体能侵染农杆菌不能或很难转化的植物, 从而扩大了基因工程的宿主范围。病毒颗粒易纯化, 降低生产成本。但植物瞬时转化系统稳定性较差, 而且毕竟是植物的病原物, 存在安全性问题[4]。

2 植物生物反应器优越性

2.1 比较廉价

植物能够进行光合作用, 容易大规模生产, 成本低廉。用植物生产口服疫苗可大大减少下游加工成本。且产物可贮藏在块根、块茎、种子或果实中, 便于贮运和加工[5]。

2.2 可以对真核蛋白进行正确的翻译后加工

植物生物反应器为外源蛋白的表达提供了真核蛋白质修饰场所, 允许表达蛋白的正确折叠及转录后修饰[4]。而细菌需将发酵中的包涵体重新溶解并折叠成蛋白质[5]。

2.3 合成外源蛋白相对比较安全

植物体只表达病原菌的部分免疫蛋白, 不含致病微生物或潜在致病微生物, 对人畜安全[6]。

2.4 植物转基因操作和克隆技术比较成熟

许多基因操作技术可用于转化植物, 并且许多植物已建立了稳定的转化体系。植物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有很大优越性[5]。

3 植物生物反应器存在问题及解决方法

3.1 外源蛋白表达水平低

外源蛋白表达量低是转基因植物普遍存在的问题[6]。可采取蛋白质靶向定位、对外源基因进行优化、合理选择启动子并加以改造、使用核基质附着区MAR序列、使用植物病毒表达载体等策略来提高表达水平[6]。

3.2 重组蛋白质中糖链结构的改变

为避免植物高尔基体中特异的糖基化过程, 研究发现在表达蛋白质后面添加KDEL序列, 可将蛋白质定位在内质网中, 形成对人无免疫应答的蛋白质, 同时还可提高蛋白质表达量[5]。

3.3 下游生产成本高

对植物生产的表达产物进行提纯, 下游生产费用昂贵。若生产口服疫苗, 不仅能减少下游加工成本, 还能方便储存运输[6]。而且口服疫苗使抗原蛋白在小肠内缓慢释放, 有效诱导肠胃黏膜免疫反应[7]。

3.4 转基因植物的安全性问题

转基因植物的外源基因漂移可能对生态环境产生不利影响, 应研究出相应策略来避免水平基因转移及异交的发生并监控产物的流动来保证其可追踪性。转基因食品安全性问题, 包括外源基因的食用安全性、外源基因表达蛋白的安全性和非预期效应等三方面[6]。应建立起完善的生物安全性评价体系及相应管理法规, 并加大宣传力度, 使公众对转基因产品有正确认识[5]。

4 植物生物反应器生产药用蛋白现状

4.1 生产疫苗方面的应用

转基因植物疫苗有两个研究方向: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[6]。

4.2 生产抗体方面的应用

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[1]。

4.3 生产其他药用蛋白方面的应用

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[6]。

5 展望

虽然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。

摘要：鉴于微生物和动物生物反应器生产蛋白在技术和生产量上即将到达瓶颈的限制, 植物已经成为一种具有吸引力的替代体系来满足对药用蛋白不断增长的需求。本文对几种不同的植物表达系统 (稳定的核和叶绿体转化系统, 瞬时病毒转化系统) 的优缺点进行了评估。并对植物生物反应器的优越性, 存在问题及解决方法, 应用和展望作了阐述。

关键词：植物,生物反应器,药用蛋白

参考文献

[1] 杨晶, 李天航, 邵明龙, 等.分子生物学技术在植物生物反应器领域的应用[J].河北农业科学, 2009, 13 (1) :27～30.

[2] 金丽鑫, 赵凌侠.植物生物反应器研究现状、瓶颈及策略[J].中国生物工程杂志, 2009, 29 (5) :104～110.

[3] 刘鑫燕.植物生物反应器转化体系进展[J].种子, 2009, 28 (8) :55～57.

[4] 范亚军, 陈朴, 倪秀珍.植物生物反应器瞬时表达外源蛋白的研究进展[J].长春师范学院学报 (自然科学版) , 2008, 27 (6) :59～62.

[5] 李粲, 王中梅, 刘炜, 等.植物生物反应器研究概述[J].安徽农业科学, 2009, 37 (24) :11403～11404.

[6] 杜小春, 何正权, 陈磊, 等.植物生物反应器表达药用蛋白研究新进展[J].中国生物工程杂志, 2008, 28 (9) :135～143.

[7] 田佳, 贾会勇, 李杰.植物可食疫苗研究现状与展望[J].中国生物制品学杂志, 2008, 21 (7) :637～640.