上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称：生物技术与人类课程号：B1913班级号：F1708201 姓名：何鑫学号：516082910010专业：生物医学工程 阅读与理解 阅读文章名称 Plants as Bioreactor for the Production of Pharmaceutical Proteins 得分 XIAO NZ,BAI YF,LIU JX,WANG XZ.Plants as Bioreactor for the Production of Pharmaceutical Proteins.Hereditas,2003,25 (1):107~112 中文题目：植物生物反应器生产药物蛋白的前景 姓名：何鑫 单位：生物医学工程学院 邮政编码：200240 一、背景解读 植物作为药材的历史悠久，早在公元前1600年的古代埃及和上古时代的中国， 人们就己经发现并且使用植物作为药物来治疗疾病。直到现在，依旧有四分之一 的处方药来源于植物。由于现代生物技术的发展，植物应用的范围得以扩大。其 中的植物转基因技术，可以用来生产抗体、血液替代品，疫苗等生物蛋白。该技 术的关键就在于“生物反应器”，生物反应器是指利用生物大规模生产有重要商业 价值的外源蛋白质的一种系统。1982年科学家首次成功地利用细菌生产重组胰岛 素，1986至1990年间，人们建立了植物表达系统来表达人类生长激素融合蛋白、 干扰素以及人血清蛋白，在1989和1990年功能抗体于植物中成功表达，从这些 例子不难看出植物具有生产复杂、有效的哺乳动物蛋白的潜力。[1] 二、亮点分析 (1)脉络清晰，文章结构一目了然 按照作者的观点，《植物生物反应器生产药物蛋白的前景》（以下简称《前景》）正 文主体部分分为“植物抗体”“口服疫苗”“植物药物和人类蛋白质”“新的表达策 略”“新的纯化策略”“商业现状及展望”六个模块，每个模块内容不同，但又相 互具有一定联系。前三个标题分别先介绍相应的名词概念，再辅以生动具体的例 子，将这些技术的特点优势等表现得淋漓尽致
上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称： 生物技术与人类 课程号： BI913 班级号： F1708201 姓名： 何鑫 学号： 516082910010 专业： 生物医学工程 阅读与理解 阅读文章名称 Plants as Bioreactor for the Production of Pharmaceutical Proteins 得分 XIAO NZ，BAI YF，LIU JX，WANG XZ. Plants as Bioreactor for the Production of Pharmaceutical Proteins. Hereditas， 2003, 25（1）：107~112 中文题目：植物生物反应器生产药物蛋白的前景 姓名：何鑫 单位：生物医学工程学院 邮政编码：200240 一、背景解读 植物作为药材的历史悠久，早在公元前 1600 年的古代埃及和上古时代的中国， 人们就已经发现并且使用植物作为药物来治疗疾病。直到现在，依旧有四分之一 的处方药来源于植物。由于现代生物技术的发展，植物应用的范围得以扩大。其 中的植物转基因技术，可以用来生产抗体、血液替代品，疫苗等生物蛋白。该技 术的关键就在于“生物反应器”，生物反应器是指利用生物大规模生产有重要商业 价值的外源蛋白质的一种系统。1982 年科学家首次成功地利用细菌生产重组胰岛 素，1986 至 1990 年间，人们建立了植物表达系统来表达人类生长激素融合蛋白、 干扰素以及人血清蛋白，在 1989 和 1990 年功能抗体于植物中成功表达，从这些 例子不难看出植物具有生产复杂、有效的哺乳动物蛋白的潜力。[1] 二、亮点分析 （1）脉络清晰，文章结构一目了然 按照作者的观点，《植物生物反应器生产药物蛋白的前景》（以下简称《前景》）正 文主体部分分为“植物抗体”“口服疫苗”“植物药物和人类蛋白质”“新的表达策 略”“新的纯化策略”“商业现状及展望”六个模块，每个模块内容不同，但又相 互具有一定联系。前三个标题分别先介绍相应的名词概念，再辅以生动具体的例 子，将这些技术的特点优势等表现得淋漓尽致
(2)内容具体，介绍详细 上文提到的六个部分，每一个部分都写得非常详尽，即使是没有学过相关生物 技术的人也能基本看懂。“植物抗体”部分介绍了4种具有潜在医疗价值的植物抗 体一一转基因烟草生产的IgG-IgA、人抗疱疹病毒抗体、针对癌胚抗原的抗体、淋 巴瘤特异的疫苗：“口服疫苗”具有成本低、便于管理、可以提高粘膜免疫力，提 高对通过粘膜表皮进入人体的传染因子的抵抗能力等优点，人们通过利用重组微 生物等运送蛋白质解决了这些蛋白质成分在胃肠中可能会降解的问题；第三个部 分提到了如何提高人源蛋白在植物细胞中的表达水平的策略：第四部分介绍了一 种新的表达策略一一瞬时表达策略；第五部分讲的是几个新的纯化策略，目的是 降低成本：商业现状及展望部分，抗生物素蛋白和葡糖醛酸糖苷酶等己经可以通 过转基因植物达到量产和降低成本的目的，目前的主要问题是如何进一步提高重 组蛋白的表达水平。 (3)思想准确、理念先进 尽管《前景》这篇文章发表于2002，但就算在如今2018年来看，其中的一些 思想和理念依旧十分先进，非常具有前瞻性。文章的末尾提到了进一步研究植物 生物反应器首先要解决的技术问题是如何进一步提高重组蛋白的表达水平，给出 的策略是要集中在控制基因沉默，筛选更强的启动子和更适宜的植物宿主方面。 文章中给的一个很好的例子就是利用悬浮细胞大规模生产重组药物蛋白。 三、拓展感悟 《前景》发表于2002年，至今已过十六个春秋，近些年来，不断有新的研究 成果出现，文章中提到的问题有些取得了比较好进展，有些依旧悬而未决，但即 使是以今天的眼光来看待，它依旧不失为了解“植物生物反应器应用”的一篇好 文章。 近年来，植物生物反应器技术突飞猛进，到目前为止，人们已经成功地在植物 中表达了胰岛素、干扰素、溶菌酶、人生长激素、人表皮生长因子、人凝血因子 等药用蛋白，表达的宿主主要植物有烟草、马铃薯、玉米和水稻等，下面列出了 部分2005年以后获得的比较好的成果。 时间 表达形式 抗体、抗原 受体植物 参考文献 2006 scFv 内肠杆菌毒素A 烟草 [2] 2006 scFv 人端粒酶逆转录酶单链抗体 烟草 [3] 2007 scFv 抗汉坦病毒鼠源单抗3G1单链抗体 拟南芥 [4]
（2）内容具体，介绍详细 上文提到的六个部分，每一个部分都写得非常详尽，即使是没有学过相关生物 技术的人也能基本看懂。“植物抗体”部分介绍了 4 种具有潜在医疗价值的植物抗 体——转基因烟草生产的 IgG-IgA、人抗疱疹病毒抗体、针对癌胚抗原的抗体、淋 巴瘤特异的疫苗；“口服疫苗”具有成本低、便于管理、可以提高粘膜免疫力，提 高对通过粘膜表皮进入人体的传染因子的抵抗能力等优点，人们通过利用重组微 生物等运送蛋白质解决了这些蛋白质成分在胃肠中可能会降解的问题；第三个部 分提到了如何提高人源蛋白在植物细胞中的表达水平的策略；第四部分介绍了一 种新的表达策略——瞬时表达策略；第五部分讲的是几个新的纯化策略，目的是 降低成本；商业现状及展望部分，抗生物素蛋白和葡糖醛酸糖苷酶等已经可以通 过转基因植物达到量产和降低成本的目的，目前的主要问题是如何进一步提高重 组蛋白的表达水平。 （3）思想准确、理念先进 尽管《前景》这篇文章发表于 2002，但就算在如今 2018 年来看，其中的一些 思想和理念依旧十分先进，非常具有前瞻性。文章的末尾提到了进一步研究植物 生物反应器首先要解决的技术问题是如何进一步提高重组蛋白的表达水平，给出 的策略是要集中在控制基因沉默，筛选更强的启动子和更适宜的植物宿主方面。 文章中给的一个很好的例子就是利用悬浮细胞大规模生产重组药物蛋白。 三、拓展感悟 《前景》发表于 2002 年，至今已过十六个春秋，近些年来，不断有新的研究 成果出现，文章中提到的问题有些取得了比较好进展，有些依旧悬而未决，但即 使是以今天的眼光来看待，它依旧不失为了解“植物生物反应器应用”的一篇好 文章。 近年来，植物生物反应器技术突飞猛进，到目前为止，人们已经成功地在植物 中表达了胰岛素、干扰素、溶菌酶、人生长激素、人表皮生长因子、人凝血因子 等药用蛋白，表达的宿主主要植物有烟草、马铃薯、玉米和水稻等，下面列出了 部分 2005 年以后获得的比较好的成果。 时间 表达形式 抗体、抗原 受体植物 参考文献 2006 scFv 内肠杆菌毒素 A 烟草 [2] 2006 scFv 人端粒酶逆转录酶单链抗体 烟草 [3] 2007 scFv 抗汉坦病毒鼠源单抗 3G1 单链抗体 拟南芥 [4]
2010 scFv 西尼罗河病毒Hu-EI6 烟草 [5] 《前景》中详细介绍了“生物反应器”这个概念，关于它的优点，我这里再总 结一下： (1)能够准确表达、正确组装重组蛋白质。转基因植物细胞能够相对忠实地 转录、翻译及组装外源性重组蛋白质，目前已经可以在植物中实现完整结构的重 组抗体分子的表达和组装[6]，而重组多聚体蛋白质在细菌表达体系中尚未成功。 (2)容易量产。植物在生活中随处可见，可以凭借植物进行大规模廉价性生 产。获得稳定遗传的转基因植株后，扩大耕种面积就可以提高产量，而田间栽培 和贮存也相对支出少。 (3)安全性相对较高，并且没有一些伦理问题。植物中没有肺炎、艾滋病病 毒等许多人类和动物致病性病原体的天然宿主，这就避免了通过这些植物生产的 蛋白质感染这些疾病的风险。此外，转基因植物不会存在转基因动物中出现的一 些伦理问题。 虽然植物生物反应器应用具有不少可观的优点，但也存在一些不足之处： (1)产品表达量低、分离纯化复杂。前面提到过可以量产，那是因为植物取 材广泛，但在宿主植物中基因的表达、蛋白质的生产以及产物的积累和分离纯化 都是非常复杂的过程，因此造成在植物生物反应器中产品表达量偏低。 (2)单个表达系统针对性强。根据现有的研究结果，由于不同植物和不同组 织的生理差异交大，单一的表达系统只适合生产几种甚至一种目标产品。[7] (3)存在生物安全问题。前面也提到过安全性高，但那是对于感染某些病毒 而言，而对于整个生态系统，因为一些产物蛋白的特殊性，转基因植物不能进入 自然生物链，以免影响整个生态系统的平衡性。[8] (4)宿主植物少。在宿主植物方面，只局限于几种模式植物，如烟草、首蓿 等，而对于其他的植物研究得还不是很彻底。[9] 据美国人口普查局估计，2018元旦，全世界人口总数将达74亿，在人口密集 的地区，一些传染性疾病会带来巨大的损失，比如中世纪欧洲的黑死病夺走了大 概三分之一的欧洲人口。为了解决“无药可医”的窘境，植物生物反应器因其廉 价、安全、易存储和运输等优点，适合用来大规模生产药用蛋白，并且十分具有 前景。但因为上文提到过的那些缺点，目前成功上市的公司依旧很少。故针对这 些不足，科研人员提出了很多种方法和策略，寻找合适的宿主以及有目的性的定 位表达、采用强启动子、优化密码子、控制蛋白质基化模式、创建蛋白酶细胞培
2010 scFv 西尼罗河病毒 Hu-EI6 烟草 [5] 《前景》中详细介绍了“生物反应器”这个概念，关于它的优点，我这里再总 结一下： （1）能够准确表达、正确组装重组蛋白质。转基因植物细胞能够相对忠实地 转录、翻译及组装外源性重组蛋白质，目前已经可以在植物中实现完整结构的重 组抗体分子的表达和组装[6]，而重组多聚体蛋白质在细菌表达体系中尚未成功。 （2）容易量产。植物在生活中随处可见，可以凭借植物进行大规模廉价性生 产。获得稳定遗传的转基因植株后，扩大耕种面积就可以提高产量，而田间栽培 和贮存也相对支出少。 （3）安全性相对较高，并且没有一些伦理问题。植物中没有肺炎、艾滋病病 毒等许多人类和动物致病性病原体的天然宿主，这就避免了通过这些植物生产的 蛋白质感染这些疾病的风险。此外，转基因植物不会存在转基因动物中出现的一 些伦理问题。 虽然植物生物反应器应用具有不少可观的优点，但也存在一些不足之处： （1）产品表达量低、分离纯化复杂。前面提到过可以量产，那是因为植物取 材广泛，但在宿主植物中基因的表达、蛋白质的生产以及产物的积累和分离纯化 都是非常复杂的过程，因此造成在植物生物反应器中产品表达量偏低。 （2）单个表达系统针对性强。根据现有的研究结果，由于不同植物和不同组 织的生理差异交大，单一的表达系统只适合生产几种甚至一种目标产品。[7] （3）存在生物安全问题。前面也提到过安全性高，但那是对于感染某些病毒 而言，而对于整个生态系统，因为一些产物蛋白的特殊性，转基因植物不能进入 自然生物链，以免影响整个生态系统的平衡性。[8] （4）宿主植物少。在宿主植物方面，只局限于几种模式植物，如烟草、苜蓿 等，而对于其他的植物研究得还不是很彻底。[9] 据美国人口普查局估计，2018 元旦，全世界人口总数将达 74 亿，在人口密集 的地区，一些传染性疾病会带来巨大的损失，比如中世纪欧洲的黑死病夺走了大 概三分之一的欧洲人口。为了解决“无药可医”的窘境，植物生物反应器因其廉 价、安全、易存储和运输等优点，适合用来大规模生产药用蛋白，并且十分具有 前景。但因为上文提到过的那些缺点，目前成功上市的公司依旧很少。故针对这 些不足，科研人员提出了很多种方法和策略，寻找合适的宿主以及有目的性的定 位表达、采用强启动子、优化密码子、控制蛋白质基化模式、创建蛋白酶细胞培
养系统、克服基因沉默等等。很多研究人员利用八项表达提高外源蛋白质的积累， 得到了不错的效果，据报道，1kg的转基因种子能得到10g的外源蛋白质，叶绿体 中外源蛋白质能达到50%TSP。[10] 我们可以预见，在未来，随着社会和经济不断发展，利用植物生物反应器生产 药物蛋白的趋势势不可挡，伴随着科研人员的不懈努力、生物技术的不断进步， 我们有理由相信，植物生物反应器必将为全人类带来巨大的经济和社会效益，带 给我们更加美好的明天。 参考文献： [1]肖乃仲，白云峰，刘锦秀，等.植物生物反应器生产药物蛋白的前景[J].遗 传，2003,25(1)：107-112 [2]Almquist K C,Mclean M D,Niu Y,et al.Expression of an anti-botulinum toxin A neutralizing single-chain Fv recombinant antibody in transgenic tobacco[J].Vaccine,.2006,24(12):2079-2086. [3]董皓林，李威，朱向莹，等。抗人端粒酶逆转录酶单链抗体基因在烟草中的表 达[J].复旦学报（自然科学版），2006,45(6)：127-131 [4]罗雯，吴兴安，李莺，等.抗汉坦病毒单链抗体基因向拟南芥遗传转化的初步 研究[J刀.中国人兽共患病学报，2007,23(12)：1202-1206 [5]Lai H,Arntzen C J.Monoclonal antibody produced in plants efficiently treats West Nile virus infection in mice.[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2010, 107(6):2419-2424. [6]杨贺，李晓薇，陈欢，等.利用植物生物反应器生产药用蛋白的研发现状[J刀. 生物产业技术，2015(1)：32-38 [7]王洪伟.植物生物反应器的研究进展[J].中学生物教学，2014(5)：43-45. [8]刘培磊，李宁，连庆，等.利用植物生物反应器生产药用蛋白的研究进展[J刀. 生物技术进展，2013(5)：309-316. [9]李文荣，郑克勤.利用植物生物反应器生产药用蛋白质[J].生命的化学， 2012,32(2):151-154. [10]Boothe J,Nykiforuk C,Shen Y,et al.Seed-based expression systems for plant molecular farming.[J].Plant Biotechnology Journal,2010, 8(5):588-606
养系统、克服基因沉默等等。很多研究人员利用八项表达提高外源蛋白质的积累， 得到了不错的效果，据报道，1kg 的转基因种子能得到 10g 的外源蛋白质，叶绿体 中外源蛋白质能达到 50%TSP。[10] 我们可以预见，在未来，随着社会和经济不断发展，利用植物生物反应器生产 药物蛋白的趋势势不可挡，伴随着科研人员的不懈努力、生物技术的不断进步， 我们有理由相信，植物生物反应器必将为全人类带来巨大的经济和社会效益，带 给我们更加美好的明天。 参考文献： [1] 肖乃仲, 白云峰, 刘锦秀,等. 植物生物反应器生产药物蛋白的前景[J]. 遗 传, 2003, 25(1):107-112. [2] Almquist K C, Mclean M D, Niu Y, et al. Expression of an anti-botulinum toxin A neutralizing single-chain Fv recombinant antibody in transgenic tobacco[J]. Vaccine, 2006, 24(12):2079-2086. [3] 董皓林, 李威, 朱向莹,等. 抗人端粒酶逆转录酶单链抗体基因在烟草中的表 达[J]. 复旦学报(自然科学版), 2006, 45(6):127-131. [4] 罗雯, 吴兴安, 李莺,等. 抗汉坦病毒单链抗体基因向拟南芥遗传转化的初步 研究[J]. 中国人兽共患病学报, 2007, 23(12):1202-1206. [5] Lai H, Arntzen C J. Monoclonal antibody produced in plants efficiently treats West Nile virus infection in mice.[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2010, 107(6):2419-2424. [6] 杨贺, 李晓薇, 陈欢,等. 利用植物生物反应器生产药用蛋白的研发现状[J]. 生物产业技术, 2015(1):32-38. [7] 王洪伟. 植物生物反应器的研究进展[J]. 中学生物教学, 2014(5):43-45. [8] 刘培磊, 李宁, 连庆,等. 利用植物生物反应器生产药用蛋白的研究进展[J]. 生物技术进展, 2013(5):309-316. [9] 李文荣, 郑克勤. 利用植物生物反应器生产药用蛋白质[J]. 生命的化学, 2012, 32(2):151-154. [10] Boothe J, Nykiforuk C, Shen Y, et al. Seed-based expression systems for plant molecular farming.[J]. Plant Biotechnology Journal, 2010, 8(5):588-606