利用植物細胞培養(yǎng)生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物

1. 植物 細胞大規(guī)模培養(yǎng)生產(chǎn)中藥藥用成分

植物中含有大量有用的次生代謝物質(zhì)可以為人類提供藥品、色素、調(diào)味品、香料、興奮劑、殺蟲劑等。僅就藥物而言，全球約75％的人口依靠植物來防病治病。美國現(xiàn)有120多種處方藥是植物藥，歐洲也約有1／4的處方藥來自植物。迅速興起的植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)是保存和發(fā)展中藥材的一種可能途徑。使用細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)可以在可控的和可重復(fù)的條件下生產(chǎn)天然藥物，而不會受到病蟲害、地理、氣候季節(jié)等因素的影響，并且產(chǎn)物分離、提取操作簡單。科學(xué)家們在植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)生產(chǎn)有用天然產(chǎn)物方面已做出了大量的工作，但是由于植物細胞生長緩慢，有效成分含量低，遺傳穩(wěn)定性差和對剪切力敏感等許多問題的存在，使得目前植物細胞培養(yǎng)生產(chǎn)天然藥物的工業(yè)化仍受到一定的限制。

因此，如能解決以上問題實現(xiàn)工業(yè)放大，利用植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)生產(chǎn)中藥藥用成分將大有可為。現(xiàn)在植物細胞懸浮培養(yǎng)已經(jīng)能夠進行小規(guī)模的生產(chǎn)，而且些藥用植物種類都已接近工業(yè)化，如從希臘毛地黃細胞培養(yǎng)物通過生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)地高辛、從日本黃連細胞培養(yǎng)物中生產(chǎn)黃連堿、從人參根細胞中生產(chǎn)人參皂苦等；相當種類的藥用植物細胞大量培養(yǎng)已達到中試水平如長春花生產(chǎn)吲哚堿、丹參生產(chǎn)丹參酮、青蒿生產(chǎn)青蒿素、紅豆杉生產(chǎn)紫杉醇、紫草生產(chǎn)萘醒、三七生產(chǎn)皂昔等。自從1991年Christen等人申請了有關(guān)紅豆杉組織培養(yǎng)的第一個專利以來，全世界已有數(shù)十家實驗室正在進行 10個紅豆杉屬組織培養(yǎng)的研究。近年來紫杉醇含量已提高了100多倍，達到153 mg／L，已開始進行工業(yè)化生產(chǎn)。

通過篩選高產(chǎn)細胞系、改進培養(yǎng)條件和技術(shù)，以及設(shè)計適合植物細胞培養(yǎng)的發(fā)酵罐，人們已對包括紫草、長春花、毛地黃、黃連等在內(nèi)的多種藥用植物細胞進行大規(guī)模生產(chǎn)實驗，有的已成商品投入市場。為了加速植物細胞培養(yǎng)技術(shù)商業(yè)化生產(chǎn)進程，各國科學(xué)家們一方面不斷改進培養(yǎng)技術(shù)，如控制培養(yǎng)的氣相環(huán)境，加入刺激劑，加入大孔樹脂吸附劑等；一方面發(fā)展新的培養(yǎng)方法，如高密度培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)和固定化養(yǎng)等以期得到一種適會于植物細胞工業(yè)生產(chǎn)的培養(yǎng)方法。隨著研究的不斷發(fā)展，植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)成為一種成熟的工業(yè)化生產(chǎn)方式已經(jīng)為期不遠了。同時，代謝產(chǎn)物生物合成的基礎(chǔ)研究越來越受到重視，特別是有關(guān)酶的確定和分離，不僅為控制代謝途徑提供了科學(xué)依據(jù)，而且為利用基因工程手段操縱代謝途徑打下了重要基礎(chǔ)。

2. 利用發(fā)根農(nóng)桿菌遺傳轉(zhuǎn)化獲得毛狀糧生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物

由發(fā)根農(nóng)桿菌（Agrobacterium rhizogenes ）感染雙子葉植物形成的毛狀根，在最近十年已發(fā)展成繼細胞培養(yǎng)后又一新的培養(yǎng)系統(tǒng)。毛狀根生長迅速，遺傳性穩(wěn)定和生化特性不易改變的特性，越來越受到人們的重視。這一培養(yǎng)系統(tǒng)對傳統(tǒng)藥材來講更為重要。因為約三分之一的傳統(tǒng)藥材是植物的根部。目前已在長春花、煙草、紫草、人參、曼陀羅、顛茄、丹參、黃花、甘草和青蒿等四十多種植物中建立了毛狀根培養(yǎng)系統(tǒng)。

毛狀根大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)的主要問題之一是物質(zhì)轉(zhuǎn)移。由于培養(yǎng)對象是相互連結(jié)的非均勻物質(zhì)，因此流體力學(xué)性質(zhì)明顯不同于懸浮培養(yǎng)細胞。大規(guī)模培養(yǎng)使用的發(fā)酵罐有多種類型，其中以氣升式效果為佳。在提高毛狀根中次生物質(zhì)數(shù)量的研究中，發(fā)展了培養(yǎng)基連續(xù)流動、雙液相發(fā)酵等新的培養(yǎng)技術(shù)；利用大孔樹脂做為吸附劑的培養(yǎng)方法也有報道。

3. 次生代謝途徑的基因工程

傳統(tǒng)藥材合有的有效成分絕大部分是次生代謝產(chǎn)物，它們的合成途徑非常復(fù)雜，往往有幾個或十幾個酶參與，因而找出形成特定產(chǎn)物的關(guān)鍵酶就成為利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)傳統(tǒng)藥材有效成分的關(guān)鍵步驟之一，而尋找關(guān)鍵酶的基因工程技術(shù)生產(chǎn)傳統(tǒng)材有效成分的關(guān)鍵步驟之一，而尋找關(guān)鍵酶的基因，選用合適的載體和在受體適當部位表達的研究也是十分關(guān)鍵的內(nèi)容。Hashimoto等將天仙子胺6-β-羥基化酶基因通過Ri質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到富含天仙子胺的莨菪毛狀根中，與對照級相比，莨菪胺含量增加了五倍。

此外，利用植物作為一個生物反應(yīng)器而使外源基因表達的研究熱點正在興起，已有一些來自細菌、動物和人類的某些抗原、抗體和特異蛋白編碼的外源基因在轉(zhuǎn)基因的植物中得到表達，如a一栝樓素、血管緊張肽轉(zhuǎn)化酶抑制劑、抗體、細菌和病毒的抗原、腦菲肽、表皮生長因子、促紅細胞生長素、生長激素、人血清蛋白、干擾素和水蛭素等。目前這些實驗大都以煙草作為受體植物進行的，再加上表達效率較低，因而還很難表現(xiàn)出它們的應(yīng)用價值。隨著表達效率的提高和受體植物范圍的不斷擴大，必定會給傳統(tǒng)藥材加入新的遺傳特性的研究帶來新的動力。