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：F1505101 姓名：周辉 学号：515051910023专业：材料科学与工程 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):107112 中文题目：植物生物反应器生产药物蛋白的前景 姓名：周辉 单位：材料科学与工程学院 邮政编码：200240 1、背景 植物作为药材的历史可以追述到古代中国和公元前1600年的古代埃及那时人们 就已经发现和使用数百种植物作为药物治病。直到今天，仍有四分之一的处方药 是来源于植物。 植物生物反应器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、脂类及其它一些次生代谢产物等生物制剂的方法。 植物生物反应器用于生产药用蛋白在20世纪80年代己经被证明具有巨大的潜力 和空间，功能抗体在植物中的表达证明植物具有生产复杂和有药效的哺乳动物蛋 白的潜力，目前早期诊断用抗体已经能够用植物大量生产，而部分疫苗和蛋白复 合物的规模化生产还具有挑战性。 2、亮点 植物生物反应器用于生产植物抗体有着巨大的市场潜力，目前己经成功获取了四
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：F1505101 姓名：周辉 学号：515051910023 专业：材料科学与工程 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：周辉 单位：材料科学与工程学院 邮政编码：200240 1、背景 植物作为药材的历史可以追述到古代中国和公元前 1600 年的古代埃及那时人们 就已经发现和使用数百种植物作为药物治病。直到今天，仍有四分之一的处方药 是来源于植物。 植物生物反应器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、脂类及其它一些次生代谢产物等生物制剂的方法。 植物生物反应器用于生产药用蛋白在 20 世纪 80 年代已经被证明具有巨大的潜力 和空间，功能抗体在植物中的表达证明植物具有生产复杂和有药效的哺乳动物蛋 白的潜力，目前早期诊断用抗体已经能够用植物大量生产，而部分疫苗和蛋白复 合物的规模化生产还具有挑战性。 2、亮点 植物生物反应器用于生产植物抗体有着巨大的市场潜力，目前已经成功获取了四
种具有潜在医疗价值的植物抗体：IgG-IgA,人抗疱疹病毒抗体，针对癌胚抗原的 抗体基因，淋巴瘤特异疫苗。 文中就IgG-IgA举例说明了植物生物反应器生产药用蛋白的优势： ①成本低廉，利用苜蓿生产IgG成本仅为从杂交瘤中提取IgG成本的1/10，而植物 生物反应器生产IgA的成本仅为细胞培养IgA成本的1/20： ②危险性小，植物抗体中多态性的N联聚糖在动物中并没有发现，而抗体的某些 特性依赖于糖基化作用，并且这些聚糖对于抗原的结合或亲和性并没有影响，这 使得植物抗体既能发挥出作用又有助于消除非植物抗体可能产生的免疫原性和过 敏性等问题。 植物生物反应器在生产口服疫苗方面的前景十分诱人，目前人们在多种转基因植 物体内合成某种致病原的关键免疫原性蛋白，然后作为可口服的亚单位疫苗给人 或者牲畜服用，人或者动物体内就会产生相应的抗体，从而获得抵御该种致病原 的能力，目前口服疫苗最主要的问题在于疫苗的蛋白质成分在胃肠中降解是否发 生在引发免疫反应之前。研究表明一些植物表达的候选疫苗已经能够成功的激发 出实验动物产生黏膜免疫应答和血清免疫应答，使得动物对致病原产生了抵抗力。 目前植物表达外源蛋白的研究己经在一定程度上取得了成功，但是距离临床应用 还有一定的距离。1 使用植物生物反应器生产人源蛋白也有着十分迫切的需求，例如生产人血清白蛋 白，人蛋白C,红细胞生成素，人干扰素，人表皮生长因子，但令人遗憾的是，人 源蛋白基因在植物中的表达量很低，远远达不到商业化的标准（占TSP的1%）2，。 为了提高人源蛋白在植物细胞内的表达水平，人们采用了几个策略：①在叶绿体 内合成复杂蛋白。外源基因可以在叶绿体中得到稳定表达，叶绿体作为外源基因 转化的受体又具有诸多优越性：基因为多拷贝，表达量高：便于外源基因定位整 合；导入的外源基因性状稳定性高、安全性好：能直接表达原核基因。如Maliga 实验室将含有Bt毒蛋白的嵌合基因导人到烟草叶绿体中，得到的毒蛋白占可溶性 蛋白3%5%的高效表达，显示出植物叶绿体表达外源基因的优越性。Staub等 将人的生长激素基因转入烟草叶绿体，获得了表达量高达叶片总蛋白7%的转化 体，比细胞核转化高300倍【31。 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。微生物发酵常需要较大的设备投资，在发酵过程中常产生包涵体，而 将其重新溶解并折叠成天然蛋白质需很高的成本。动物细胞培养所需的生长培养
种具有潜在医疗价值的植物抗体：IgG-IgA，人抗疱疹病毒抗体，针对癌胚抗原的 抗体基因，淋巴瘤特异疫苗。 文中就 IgG-IgA 举例说明了植物生物反应器生产药用蛋白的优势： ○1 成本低廉，利用苜蓿生产 IgG 成本仅为从杂交瘤中提取 IgG 成本的 1/10,而植物 生物反应器生产 IgA 的成本仅为细胞培养 IgA 成本的 1/20； ○2 危险性小，植物抗体中多态性的 N 联聚糖在动物中并没有发现，而抗体的某些 特性依赖于糖基化作用，并且这些聚糖对于抗原的结合或亲和性并没有影响，这 使得植物抗体既能发挥出作用又有助于消除非植物抗体可能产生的免疫原性和过 敏性等问题。 植物生物反应器在生产口服疫苗方面的前景十分诱人，目前人们在多种转基因植 物体内合成某种致病原的关键免疫原性蛋白，然后作为可口服的亚单位疫苗给人 或者牲畜服用，人或者动物体内就会产生相应的抗体，从而获得抵御该种致病原 的能力，目前口服疫苗最主要的问题在于疫苗的蛋白质成分在胃肠中降解是否发 生在引发免疫反应之前。研究表明一些植物表达的候选疫苗已经能够成功的激发 出实验动物产生黏膜免疫应答和血清免疫应答，使得动物对致病原产生了抵抗力。 目前植物表达外源蛋白的研究已经在一定程度上取得了成功，但是距离临床应用 还有一定的距离。 【1】 使用植物生物反应器生产人源蛋白也有着十分迫切的需求，例如生产人血清白蛋 白，人蛋白 C，红细胞生成素，人干扰素，人表皮生长因子，但令人遗憾的是，人 源蛋白基因在植物中的表达量很低，远远达不到商业化的标准（占 TSP 的 1%） 【2】。 为了提高人源蛋白在植物细胞内的表达水平，人们采用了几个策略：○1 在叶绿体 内合成复杂蛋白。外源基因可以在叶绿体中得到稳定表达，叶绿体作为外源基因 转化的受体又具有诸多优越性：基因为多拷贝，表达量高；便于外源基因定位整 合；导入的外源基因性状稳定性高、安全性好；能直接表达原核基因。如 Maliga 实验室将含有 Bt 毒蛋白的嵌合基因导人到烟草叶绿体中，得到的毒蛋白占可溶性 蛋白 3％~5％的高效表达，显示出植物叶绿体表达外 源基因的优越性。Staub 等 将人的生长激素基因转入烟草叶绿体，获得了表达量高达叶片总蛋白 7％的转化 体，比细胞核转化高 300 倍 【3】。 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。微生物发酵常需要较大的设备投资，在发酵过程中常产生包涵体，而 将其重新溶解并折叠成天然蛋白质需很高的成本。动物细胞培养所需的生长培养
基相当昂贵。但有些非常昂贵的生物药物如葡糖脑苷酯酶，通过转基因植物作为 生物反应器来生产就变得相当便宜。其原因在于植物能进行光合作用。若提供合 适的阳光、矿物质和水即可生产出入们所需的转基因目标产物，而且植物可以大 规模种植和收获，产物可贮藏在块根、块茎、种子或果实中便于贮藏、运输和加 工。另外，转基因植物生物反应器产物的生化特性和生物活性与天然产物几乎完 全相同，减少了后续的加工转化工程，从而降低了生产成本【”。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1/101/50 【5】 3、读后感 转基因植物作为生物反应器生产药物分子的研究热点是植物抗体和疫苗。1989年 Hiatt等在世界上首次报道在植物中表达全长抗体，随后IgG、IgM、IgG/IgA嵌 合体、Fab、V等抗体片段的表达使其在免疫治疗、提高植物抗病性、调控植物代 谢等方面显示了一定的前景。同时，许多科学家开始了植物口服疫苗的研究【。 目前，农杆菌介导转染烟草叶片和马铃薯块茎获得了肠毒素基因(LT)的表达它们 侵染胃肠和呼吸道上皮黏膜表面，刺激粘膜免疫反应产生分泌型抗体SIgA,实验 证明，通过口服该疫苗能比注射产生更好的免疫效果。该重组疫苗的获得为植物 口服疫苗的生产奠定了坚实的基础，至今已有霍乱弧菌毒素等十几种微生物病原 体疫苗基因在植物体内得到表达。此外，在植物体内表达人血清蛋白、干扰素、 胰岛素、抗生物素蛋白、抑蛋白酶肽等的研究在国内也取得了一定进展”。 把基因药物生产逐步转移向农场。利用整体植物来生产药物是一种全新的生产模 式，它必将引起医药工业、农业和人体医学的一场革命。转基因植物生物反应器 己成为当今全球性的研究热点，并取得了丰硕的研究成果。目前，转基因植物生 物反应器除了应用于生产重要的药用蛋白外，还应用于大规模生产许多种具有高 经济附加值的高新生物技术产品。 当然，转基因植物生产重组药物分子也存在一些尚未解决的不足。首先，从植物 细胞中提纯特定的蛋白并不是一件容易的事，相应的纯化工艺有待进一步完善， 尤其对于那些对纯度要求较高的医疗用品，有效地除去其中可能混杂的植物碱和 植物毒素是生产中的一个不可忽视的问题。其次，有些转基因植物疫苗的有效成
基相当昂贵。但有些非常昂贵的生物药物如葡糖脑苷酯酶，通过转基因植物作为 生物反应器来生产就变得相当便宜。其原因在于植物能进行光合作用。若提供合 适的阳光、矿物质和水即可生产出入们所需的转基因目标产物，而且植物可以大 规模种植和收获，产物可贮藏在块根、块茎、种子或果实中便于贮藏、运输和加 工。另外，转基因植物生物反应器产物的生化特性和生物活性与天然产物几乎完 全相同，减少了后续的加工转化工程，从而降低了生产成本 【4】。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/10~1/50 【5】。 3、读后感 转基因植物作为生物反应器生产药物分子的研究热点是植物抗体和疫苗。1989 年 Hiatt 等在世界上首次报道在植物中表达全长抗体，随后 IgG、IgM、IgG／IgA 嵌 合体、Fab、VH等抗体片段的表达使其在免疫治疗、 提高植物抗病性、调控植物代 谢等方面显示了一定的前景。同时，许多科学家开始了植物口服疫苗的研究 【6】。 目前，农杆菌介导转染烟草叶片和马铃薯块茎获得了肠毒素基因(LT)的表达它们 侵染胃肠和呼吸道上皮黏膜表面，刺激粘膜免疫反应产生分泌型抗体 SIgA，实验 证明，通过口服该疫苗能比注射产生更好的免疫效果。该重组疫苗的获得为植物 口服疫苗的生产奠定了坚实的基础，至今已有霍乱弧菌毒素等十几种微生物病原 体疫苗基因在植物体内得到表达。此外，在植物体内 表达人血清蛋白、干扰素、 胰岛素、抗生物素蛋白、抑蛋白酶肽等的研究在国内也取得了一定进展 【7，8】。 把基因药物生产逐步转移向农场。利用整体植物来生产药物是一种全新的生产模 式，它必将引起医药工业、农业和人体医学的一场革命。转基因植物生物反应器 已成为当今全球性的研究热点，并取得了丰硕的研究成果。目前，转基因植物生 物反应器除了应用于生产重要的药用蛋白外，还应用于大规模生产许多种具有高 经济附加值的高新生物技术产品。 当然，转基因植物生产重组药物分子也存在一些尚未解决的不足。首先，从植物 细胞中提纯特定的蛋白并不是一件容易的事，相应的纯化工艺有待进一步完善， 尤其对于那些对纯度要求较高的医疗用品，有效地除去其中可能混杂的植物碱和 植物毒素是生产中的一个不可忽视的问题。其次，有些转基因植物疫苗的有效成
份含量较低，接种这种疫苗不但不会诱发机体的保护性免疫反应，相反还会引起 免疫耐受性。此外，若以直接食用转基因植物的方式进行预防接种还会遇到三个 主要问题：一是某些植物中可能存在某些物质，它们会降低转基因植物疫苗的免 疫效果；二是对某些必须经热加工才可以食用的植物，烹调过程会破坏疫苗中的 蛋白质（此点可通过将某些抗原基因导入不经加工即可食用的植物来克服）：三是 口服的转基因植物疫苗必须装载在一个特殊的载体上，使得疫苗能够通过粘膜进 人体内脏并能在那里激发免疫反应。不过随着一代又一代生物科学家的不懈努力， 这些困难已经在逐步得到解决，植物生物反应器的理论基础已经日趋完善，实验 结果也在向着人们希望的方向前进。 植物生物反应器作为“分子农业”的一部分展示出“分子农业”有着成为高效益 新型工业的巨大潜力。转基因植物生物反应器技术的应用可极大地提高种植业的 效益，对调整我国种植业结构、增加国民生产总值具有十分重大的意义，显示了 转基因生物技术诱人的发展前景
份含量较低，接种这种疫苗不但不会诱发机体的保护性免疫反应，相反还会引起 免疫耐受性。此外，若以直接食用转基因植物的方式进行预防接种还会遇到三个 主要问题：一是某些植物中可能存在某些物质，它们会降低转基因植物疫苗的免 疫效果；二是对某些必须经热加工才可以食用的植物，烹调过程会破坏疫苗中的 蛋白质 (此点可通过将某些抗原基因导入不经加工即可食用的植物来克服)；三是 口服的转基因植物疫苗必须装载在一个特殊的载体上， 使得疫苗能够通过粘膜进 人体内脏并能在那里激发免疫反应。不过随着一代又一代生物科学家的不懈努力， 这些困难已经在逐步得到解决，植物生物反应器的理论基础已经日趋完善，实验 结果也在向着人们希望的方向前进。 植物生物反应器作为“分子农业”的一部分展示出“分子农业”有着成为高效益 新型工业的巨大潜力。 转基因植物生物反应器技术的应用可极大地提高种植业的 效益，对调整我国种植业结构、增加国民生产总值具有十分重大的意义，显示了 转基因生物技术诱人的发展前景
【1】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)：104110. [2]May GD,et al.Application of transgenic plants as production systems for pharmaceuticals.In Agricultural Materials as Renewable Resources,Nonfood and Industrial Applications (ACS Symposium Series 647)IC].American Chemical Society,Clarendon Hills,II,USA, 1996,196204. [3]Staub J M,et al.High-yield Production of a Human Therapeutic Protein in Tobacco Chloroplasts J].Nat Biotechnol,2000,(18): 333338. 【4】李粲，等，植物生物反应器研究概述【J】.安徽农业科学，2009,37(24)： 1140311404. 【5】张胜利，等，植物生物反应器在生物制药中的应用【J】,资源开发与市 场，2011,27(02)：103105 [6]Boynton J E,Gillharm N W,Harris E H,et al Chloroplast Transformation in Chlamydomonas with High Velocity Microprojectiles 【J】.science,1999,(240):15341538. 【7】郑回勇，郑金贵，黄碧芳.人乳铁蛋白基因转化胡萝卜研究初报【J】.福 建农林大学学报（自然科学版）.2002,31(2)：215217. 【8】王凌健，倪迪安，陈永宁，等.利用转基因胡萝卜表达肺结核疫苗【J】.植 物学报，2001,43(2)：132137
【1】 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. 【2】 May G D，et al. Application of transgenic plants as production systems for pharmaceuticals. In Agricultural Materials as Renewable Resources，Nonfood and Industrial Applications（ACS Symposium Series 647）【C】.American Chemical Society，Clarendon Hills，II，USA， 1996,196~204. 【3】 Staub J M ，et al. High-yield Production of a Human Therapeutic Protein in Tobacco Chloroplasts【J】.Nat Biotechnol,2000， (18)： 333~338． 【4】 李粲，等 ，植物生物反应器研究概述【J】.安徽农业科学，2009，37(24)： 11403~11404. 【5】 张胜利，等 ，植物生物反应器在生物制药中的应用 【J】，资源开发与市 场，2011，27（02）：103~105 【6】 Boynton J E, Gillharm N W, Harris E H, et al .Chloroplast Transformation in Chlamydomonas with High Velocity Microprojectiles 【J】.science ,1999，(240):1534~1538. 【7】 郑回勇，郑金贵，黄碧芳．人乳铁蛋白基因转化胡萝卜研究初报【J】．福 建农林大学学报(自然科学版)．2002,31 (2)：215~217． 【8】 王凌健，倪迪安，陈永宁．等．利用转基因胡萝卜表达肺结核疫苗【J】．植 物学报，2001，43(2)：132~137．