上海交通大学：《生物技术与人类》通识课程教学资源（阅读理解）阅读理解_王逸林.doc_大学文库

背景知识生物反应器(bioreactor)是指利用生物系统大规模生产有重要商业价值的外源蛋白质，用于医疗保健和科学研究。植物生物反应器广义上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人或动物的疫苗、抗体和重要的氨基酸，它们具有重要药用价值，或可作为食品添加剂、工业原料的植物次生代谢产物。可以是悬浮培养细胞或整株植物，也可以是天然的植物细胞和组织或是经基因工程改良的植物细胞和组织，还可以是以植物病毒为载体在植物中表达。植物生物反应器狭义上是指以转基因的整株植物为工厂大量生产各种高价值的生物制品。 1986年Barta等首次在烟草中表达人类生长激素蛋白并获得了成功和1989年 Hiatt等首次利用转基因烟草产生具有与哺乳动物产物相同功能的抗体，证实了植物作为生物反应器的可行性。目前，在植物中已成功表达的医药有抗体类、酶类、激素类、白细胞介素、血浆蛋白和疫苗等。最具挑战性的成果是利用植物生产嵌合型抗肿瘤疫苗和多亚基蛋白复合物，如分泌型IgA11等。文章重点本文的阐述重点有两方面，生物反应器生产药物蛋白的现有三种应用和未来工艺上的两种改进思路。并表达了对这一产业迅猛发展的期盼。作者首先介绍了现有利用植物生物反应器生产植物抗体的技术。如上文所述，早在1989年转基因烟草便已成功表达出免疫球蛋白的重链、轻链基因并成功组装成抗体。本文发表时，已有人抗疱疹病毒抗体、癌胚抗原抗体等四种具有潜在医疗价值的植物抗体被从植物反应器身上成功获取。杜小春(2008)在文章中又介绍了人肌酸激酶IgG、链球菌外源凝集素分泌性IgA/G等多种21世纪新生产出的抗体蛋白。植物生物反应器生产抗体蛋白相比传统的杂交瘤途径，成本可以节省 9/10:相比动物生物反应器途径，成本可以节省1/2。这主要是源于通过水稻、小麦种子生产的植物抗体无需提纯，直接服用便可达到药用效果。临床试验也表明，植物抗体作为人类药物不存在免疫原性和致敏性。植物生物反应器另一项前景诱人的应用是生产口服疫苗。疫苗需具有生物活性，过去认为植物生产疫苗蛋白需要经过若干深加工流程，其中的活性成分在此过程中将受到损坏。通过转基因技术引入表达热稳定性等特性的基因，可以达到利用转基因植物组织作为载体运送疫苗蛋白进入人体肠部引发免疫反应的功效

背景知识生物反应器(bioreactor)是指利用生物系统大规模生产有重要商业价值的外源蛋白质，用于医疗保健和科学研究。植物生物反应器广义上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人或动物的疫苗、抗体和重要的氨基酸, 它们具有重要药用价值, 或可作为食品添加剂、工业原料的植物次生代谢产物。可以是悬浮培养细胞或整株植物, 也可以是天然的植物细胞和组织或是经基因工程改良的植物细胞和组织, 还可以是以植物病毒为载体在植物中表达。植物生物反应器狭义上是指以转基因的整株植物为工厂大量生产各种高价值的生物制品。 1986 年 Barta 等首次在烟草中表达人类生长激素蛋白并获得了成功和 1989 年 Hiatt 等首次利用转基因烟草产生具有与哺乳动物产物相同功能的抗体，证实了植物作为生物反应器的可行性。目前，在植物中已成功表达的医药有抗体类、酶类、激素类、白细胞介素、血浆蛋白和疫苗等。最具挑战性的成果是利用植物生产嵌合型抗肿瘤疫苗和多亚基蛋白复合物，如分泌型 IgAl1 等。文章重点本文的阐述重点有两方面，生物反应器生产药物蛋白的现有三种应用和未来工艺上的两种改进思路。并表达了对这一产业迅猛发展的期盼。作者首先介绍了现有利用植物生物反应器生产植物抗体的技术。如上文所述，早在 1989 年转基因烟草便已成功表达出免疫球蛋白的重链、轻链基因并成功组装成抗体。本文发表时，已有人抗疱疹病毒抗体、癌胚抗原抗体等四种具有潜在医疗价值的植物抗体被从植物反应器身上成功获取。杜小春（2008）在文章中又介绍了人肌酸激酶 IgG、链球菌外源凝集素分泌性 IgA /G 等多种 21 世纪新生产出的抗体蛋白。植物生物反应器生产抗体蛋白相比传统的杂交瘤途径，成本可以节省 9/10；相比动物生物反应器途径，成本可以节省 1/2。这主要是源于通过水稻、小麦种子生产的植物抗体无需提纯，直接服用便可达到药用效果。临床试验也表明，植物抗体作为人类药物不存在免疫原性和致敏性。植物生物反应器另一项前景诱人的应用是生产口服疫苗。疫苗需具有生物活性，过去认为植物生产疫苗蛋白需要经过若干深加工流程，其中的活性成分在此过程中将受到损坏。通过转基因技术引入表达热稳定性等特性的基因，可以达到利用转基因植物组织作为载体运送疫苗蛋白进入人体肠部引发免疫反应的功效

这样的口服疫苗成本低、便于管理、可以削减大众对疫苗接种的恐惧心理。植物组织表达疫苗的量需要足够大以实现口服免疫效果，目前己经运用导肽、多聚腺苷酸信号以及优化密码子等，将亚单位疫苗定位于细胞表面、内质网或高尔基体等位置，在多个实验室植物疫苗模型上取得了成功。另一种有前景的应用是人类蛋白质的生产，但是这一思路存在如转基因莴苣表达的重组乙型肝炎表面抗原含量低(1~5g/g鲜重)、马铃薯表达的诺沃克病毒衣壳蛋白产率过低（占TSP的0.37）等问题，难以大规模应用。即使目前许多非人源蛋白质在植物生物反应器中得到了较高效的表达，人源蛋白质的表达率仍然十分低下。对此，作者提出在叶绿体内装配复杂真核蛋白质、蛋白质靶向定位、替换动物源基因部分密码子等改进思路。工艺上作者认为存在两种改进思路。第一种是寻找新的表达策略，除了在现有常用植物生物反应器种类（烟草、首蓿、大豆）外寻找新的适用植物（水稻、小麦)，也可以尝试悬浮培养、根分泌等更为高效的表达策略。另一种潜力巨大的表达策略是瞬时表达，常用RNA病毒载体短时间内大量表达3OkDa以下的蛋白质，人们正利用农杆菌法和基因枪法改进这一策略。另一种优化思路是寻找新的纯化策略。层析纯化费用占提纯重组蛋白成本的 30%,通过转基因技术减少纯化步骤、提升纯化效率可以为植物生物反应器提供更多的商业化空间。最后，作者提到孟山都公司建立的转基因玉米体系生产人类抗体的水平已经达到1.5公斤/英亩。Sigma-一Aldric通过转基因玉米表达抗生物素蛋白的量已经达到230mg/kg,成本与从鸡蛋清中提取相比降低了10倍。作者认为随着人类基因组计划深入，人类将会发现更多具有药用价值的蛋白质，而植物生物反应器技术有望成为最主要的药用蛋白生产系统

这样的口服疫苗成本低、便于管理、可以削减大众对疫苗接种的恐惧心理。植物组织表达疫苗的量需要足够大以实现口服免疫效果，目前已经运用导肽、多聚腺苷酸信号以及优化密码子等，将亚单位疫苗定位于细胞表面、内质网或高尔基体等位置，在多个实验室植物疫苗模型上取得了成功。另一种有前景的应用是人类蛋白质的生产，但是这一思路存在如转基因莴苣表达的重组乙型肝炎表面抗原含量低(1～ 5ng／g 鲜重)、马铃薯表达的诺沃克病毒衣壳蛋白产率过低（占 TSP 的 0.37）等问题，难以大规模应用。即使目前许多非人源蛋白质在植物生物反应器中得到了较高效的表达，人源蛋白质的表达率仍然十分低下。对此，作者提出在叶绿体内装配复杂真核蛋白质、蛋白质靶向定位、替换动物源基因部分密码子等改进思路。工艺上作者认为存在两种改进思路。第一种是寻找新的表达策略，除了在现有常用植物生物反应器种类（烟草、苜蓿、大豆）外寻找新的适用植物（水稻、小麦），也可以尝试悬浮培养、根分泌等更为高效的表达策略。另一种潜力巨大的表达策略是瞬时表达，常用 RNA 病毒载体短时间内大量表达 30kDa 以下的蛋白质，人们正利用农杆菌法和基因枪法改进这一策略。另一种优化思路是寻找新的纯化策略。层析纯化费用占提纯重组蛋白成本的 30%，通过转基因技术减少纯化步骤、提升纯化效率可以为植物生物反应器提供更多的商业化空间。最后，作者提到孟山都公司建立的转基因玉米体系生产人类抗体的水平已经达到 1．5 公斤／英亩。Sigma— Aldric 通过转基因玉米表达抗生物素蛋白的量已经达到 230mg／kg，成本与从鸡蛋清中提取相比降低了 10 倍。作者认为随着人类基因组计划深入，人类将会发现更多具有药用价值的蛋白质，而植物生物反应器技术有望成为最主要的药用蛋白生产系统

读后感我来自生物医学工程学院，这是一个关注利用工程知识解决医疗产业中遇到问题的专业。在我的理解中与生物医学工程解决外科医学、影像医学等宏观层面医学问题不同，生物工程更关注微观层面、分子层面相关的医疗问题。我已修读过生物化学课程，接下来还会修读细胞生物学、分子生物学课程。因此我对以抗体为代表的大分子蛋白质在人体免疫流程中的重要性有一定的了解。我国市场上的免疫制剂、非普适性疫苗的价格相当高昂，部分原因便是错过了当年第一波次的药用蛋白生产的发展机会，当外国公司对合成/半合成药用蛋白质的技术形成垄断时，国人便不得不忍受其高昂的价格。“十三五”工作计划中明确提及转基因作物的商品化，这是一次国内药企实现弯道超车的好机会。这篇早在2003年发表的文章已经提及了转基因植物生物反应器生产药用蛋白所具有的价格低廉、后续处理简便、副产物少等优点。参考文献中提及了赵建聪(2008)利用植物生物反应器表达胸腺素α1的研究，如果能在这一次药物技术革命中占得先机，我国在药用蛋白领域上受制于人的程度将大大降低。作者提及而又未详细解释的一个问题是药用蛋白的叶绿体表达。翻阅其他文献 (张胜利，2011)，我得知早在1988年，Boynton等首次成功地用野生型的叶绿体 DNA转化了单细胞生物衣藻的突变体，证明植物叶绿体基因组是可转化的。另一种叶绿体表达的应用是丙型肝炎病毒抗原基因S3-C和CE1各自插入烟草和衣藻叶绿体转化载体中获得表达。叶绿体作为外源基因转化的受体又具有诸多优越性：①基因为多拷贝，表达量高：②便于外源基因定位整合：③导入的外源基因性状稳定性高、安全性好；④能直接表达原核基因。这同样有助于解决作者提到的人源基因在植物体内得不到良好表达的问题。分子医学作为转化医学的一个分支也是生物医学工程学院的一个科研方向，通过阅读这篇文献，我对分子医学产生了一定的兴趣，希望在接下来的专业课程上能够和授课教师多加沟通，或许这会成为我最终为自己选择的科研方向。值得注意的是，虽然这篇文章主要介绍了植物生物反应器生产药用蛋白的独特优势，动物生物反应器，如乳腺生物反应器、精原细胞生物反应器在合成动物源乃至人源蛋白质上也具有独特的优势，李紫聪(2013)对动物生物反应器的发展与优势有详尽的介绍。我认为药用蛋白质的生物反应器生产或许是当下生物医疗技术产业化的一个范例，对其有所了解对我今后的学习科研将会有一定助力

读后感我来自生物医学工程学院，这是一个关注利用工程知识解决医疗产业中遇到问题的专业。在我的理解中与生物医学工程解决外科医学、影像医学等宏观层面医学问题不同，生物工程更关注微观层面、分子层面相关的医疗问题。我已修读过生物化学课程，接下来还会修读细胞生物学、分子生物学课程。因此我对以抗体为代表的大分子蛋白质在人体免疫流程中的重要性有一定的了解。我国市场上的免疫制剂、非普适性疫苗的价格相当高昂，部分原因便是错过了当年第一波次的药用蛋白生产的发展机会，当外国公司对合成/半合成药用蛋白质的技术形成垄断时，国人便不得不忍受其高昂的价格。“十三五”工作计划中明确提及转基因作物的商品化，这是一次国内药企实现弯道超车的好机会。这篇早在 2003 年发表的文章已经提及了转基因植物生物反应器生产药用蛋白所具有的价格低廉、后续处理简便、副产物少等优点。参考文献中提及了赵建聪（2008）利用植物生物反应器表达胸腺素α1 的研究，如果能在这一次药物技术革命中占得先机，我国在药用蛋白领域上受制于人的程度将大大降低。作者提及而又未详细解释的一个问题是药用蛋白的叶绿体表达。翻阅其他文献（张胜利，2011），我得知早在 1988 年,Boynton 等首次成功地用野生型的叶绿体 DNA 转化了单细胞生物衣藻的突变体, 证明植物叶绿体基因组是可转化的。另一种叶绿体表达的应用是丙型肝炎病毒抗原基因 NS3 -C 和 CE1 各自插入烟草和衣藻叶绿体转化载体中获得表达。叶绿体作为外源基因转化的受体又具有诸多优越性:①基因为多拷贝, 表达量高;②便于外源基因定位整合;③导入的外源基因性状稳定性高、安全性好;④能直接表达原核基因。这同样有助于解决作者提到的人源基因在植物体内得不到良好表达的问题。分子医学作为转化医学的一个分支也是生物医学工程学院的一个科研方向，通过阅读这篇文献，我对分子医学产生了一定的兴趣，希望在接下来的专业课程上能够和授课教师多加沟通，或许这会成为我最终为自己选择的科研方向。值得注意的是，虽然这篇文章主要介绍了植物生物反应器生产药用蛋白的独特优势，动物生物反应器，如乳腺生物反应器、精原细胞生物反应器在合成动物源乃至人源蛋白质上也具有独特的优势，李紫聪（2013）对动物生物反应器的发展与优势有详尽的介绍。我认为药用蛋白质的生物反应器生产或许是当下生物医疗技术产业化的一个范例，对其有所了解对我今后的学习科研将会有一定助力