食品基因工程研究进展 余翔
食品基因工程研究进展 余 翔
概 述 食品基因工程 微生物工程 酶工程 食品生物技术:生物反应器 下游工程 其它 基因工程:是把一种生物体的基因转移到另一种生物体中 去,建立新的遗传组合,获得前者的遗传特征的 技术
概 述 食品基因工程 微生物工程 酶工程 食品生物技术： 生物反应器 下游工程 其它 基因工程：是把一种生物体的基因转移到另一种生物体中 去，建立新的遗传组合，获得前者的遗传特征的 技术．
食品基因工程(改进农产品品质等) 农业基因工程(培养抗虫植物、培育抗病毒植物等) 基因工程工业基因工程(些工程菌的利用等) 医药基因工程(生产基因工程疫苗等) 其它 食品基因工程与农业基因工程区别: 食品基因工程强调改善食品的营养品质、风味品质、工艺特性、 贮藏性能,以及用基因工程生产食品添加剂或功能因子 农业基因工程强调提高农作物的产量或改善农作物抗虫、抗病 抗除草剂、抗旱能力等农业性状。 目前食品基因工程的研究主要集中在食品蛋白质工程、碳水化合 物工程、油脂工程、贮藏保鲜工程等方面
食品基因工程:(改进农产品品质等) 农业基因工程:(培养抗虫植物、培育抗病毒植物等) 基因工程 工业基因工程:(一些工程菌的利用等) 医药基因工程:(生产基因工程疫苗等) 其它 食品基因工程与农业基因工程区别: 食品基因工程强调改善食品的营养品质、风味品质、工艺特性、 贮藏性能，以及用基因工程生产食品添加剂或功能因子。 农业基因工程强调提高农作物的产量或改善农作物抗虫、抗病、 抗除草剂、抗旱能力等农业性状。 目前食品基因工程的研究主要集中在食品蛋白质工程、碳水化合 物工程、油脂工程、贮藏保鲜工程等方面
蛋白质工程: 定义:指通过蛋白质化学、蛋白质晶体学和动力学的研究获取关 于蛋白质物理、化学等各方面的信息,在此基础上对编码蛋白的基 因进行有目的的设计改造,并通过基因工程等手段进行表达和分离 纯化,最终将其投入使用 背景:全世界蛋白质产量(15亿吨),植物提供65%动物35%。 植物蛋白生产成本比动物蛋白生产成本低,而且便于运输和贮藏 但营养价值较低,禾谷类蛋白质中Iys和Trp含量较低,豆类蛋白质 中Met和Cys含量较低。 食品蛋白质工程的主要任务:提高食品中的蛋白质的含量或提高蛋 白质中必须氨基酸的含量。 采用技术:基因导入技术(通过把人工合成基因、同源基因或异源 基因导入作物细胞的途径,获得高产蛋白质的作物或高产必需氨基 酸的作物。) 存在困难:基因的表达水平很低,离实际应用需要仍有距离
一、蛋白质工程： 定义：指通过蛋白质化学、蛋白质晶体学和动力学的研究获取关 于蛋白质物理、化学等各方面的信息，在此基础上对编码蛋白的基 因进行有目的的设计改造，并通过基因工程等手段进行表达和分离 纯化，最终将其投入使用。 背景：全世界蛋白质产量（1.5亿吨）,植物提供65%,动物35% 。 植物蛋白生产成本比动物蛋白生产成本低，而且便于运输 和贮藏 但营养价值较低，禾谷类蛋白质中Lys和Trp含量较低，豆类蛋白质 中Met和Cys含量较低。 食品蛋白质工程的主要任务：提高食品中的蛋白质的含量或提高蛋 白质中必须氨基酸的含量。 采用技术：基因导入技术（通过把人工合成基因、同源基因或异源 基因导入作物细胞的途径，获得高产蛋白质的作物或高产必需氨基 酸的作物。） 存在困难：基因的表达水平很低，离实际应用需要仍有距离
1.1合成基因的导入和表达 a、大多数植物种子都含有贮存蛋白质,如果在编码贮存蛋白质的基因序列中插 入编码必需氨基酸的人工合成基因片段就可以提高贮存蛋白质中必需氨基酸的 含量 1988年 WallaceE19KD的a-醇溶蛋白的cDNA中增加了Lys和Trp的密码子 所产生的RNA也富含Lys和Tp的序列,而且导入Lys和Tp的残基不影响醇溶蛋 白的合成。 1988年 Hoffman将含有6个Met密码子的45bp序列插入菜豆蛋白基因中,在把 该基因转入烟草中去,发现转移基因能正常进行表达,但合成量太低 b、很多植物种子含油种子都含有一份低分子量的2S白蛋白,它是由一个高度 致的同源区域和一个可供修饰的可变区域构成。 1990年 Clercq等用Met密码子序列取代了拟南芥菜2S白蛋白的可变区域,所 获得的转基因芥菜可生产富含Met的2S白蛋白。 小结:通过导入人工合成基因来修饰编码蛋白质的基因序列,从而提高蛋白质 中必需氨基酸含量的技术路线是可行的,关键是必须选择适当的修饰位点,把 合成基因片段插入可变区域而不应该是同源区域
1.1 合成基因的导入和表达 a、 大多数植物种子都含有贮存蛋白质,如果在编码贮存蛋白质的基因序列中插 入编码必需氨基酸的人工合成基因片段,就可以提高贮存蛋白质中必需氨基酸的 含量。 1988年Wallace在19KD的a-醇溶蛋白的cDNA中增加了Lys和Trp的密码子， 所产生的RNA 也富含Lys和Trp的序列，而且导入Lys和Trp的残基不影响醇溶蛋 白的合成。 1988年Hoffman将含有6个Met密码子的45bp序列插入菜豆蛋白基因中，在把 该基因转入烟草中去，发现转移基因能正常进行表达，但合成量太低。 b、很多植物种子含油种子都含有一份低分子量的2S白蛋白，它是由一个高度 一致的同源区域和一个可供修饰的可变区域构成。 1990年Clercq等用Met密码子序列取代了拟南芥菜2S白蛋白的可变区域，所 获得的转基因芥菜可生产富含Met的2S白蛋白。 小结：通过导入人工合成基因来修饰编码蛋白质的基因序列，从而提高蛋白质 中必需氨基酸含量的技术路线是可行的，关键是必须选择适当的修饰位点，把 合成基因片段插入可变区域而不应该是同源区域
12同源基因的导入和表达: 依据:植物体内有一些含量较低但氨基酸组成却十分理想的蛋白 质如果能把编码这些蛋白质分离出来,并重复导入同种植物 中去使其过量表达,理论上就可以大大提高蛋白质中必需氨 基酸的含量及营养价值。 大豆种子内有一个10.8KD的蛋白质,其含量仅为0.6%但此蛋白质中Me含量 达到12%。 George(1991)从大豆种子中分离到了编码该蛋白质的基因,并把该基因 确定为大豆蛋白质工程的内源目的基因 小麦中有一富含Lys的蛋白质,在其270位至370位区间有富含Lys的片段 Singh(1993)成功地克隆了编码该蛋白质的cDNA,并把该基因确定为小麦蛋白 质工程的内源目的基因。 目前同源基因的研究工作尚停留在目的基因的分离和鉴定阶段
1.2 同源基因的导入和表达： 依据:植物体内有一些含量较低但氨基酸组成却十分理想的蛋白 质,如果能把编码这些蛋白质分离出来,并重复导入同种植物 中去使其过量表达,理论上就可以大大提高蛋白质中必需氨 基酸的含量及营养价值。 大豆种子内有一个10.8KD的蛋白质,其含量仅为0.6%.但此蛋白质中Met含量 达到12%。George(1991)从大豆种子中分离到了编码该蛋白质的基因,并把该基因 确定为大豆蛋白质工程的内源目的基因。 小麦中有一富含Lys的蛋白质，在其270位至370位区间有富含Lys的片段， Singh（1993）成功地克隆了编码该蛋白质的cDNA，并把该基因确定为小麦蛋白 质工程的内源目的基因。 目前同源基因的研究工作尚停留在目的基因的分离和鉴定阶段
13异源基因的导入和表达 异源基因是指从分类学关系较远的植物中分离获得的目的基因。 巴西豆BN2S白蛋白富含Met(18%)和Cys(8%)。 Altenach(191)把巴 西豆编码BN2S白蛋白的基因转移到烟草和油菜中去,发现BN2S基因在转基因烟 草和油菜中能表达,表达水平达到8% 翅豆中有一个19.5KD、由238个氨基酸残基组成、富含Lys(10.8%)的蛋白 质sSun(19983)克隆了编码该蛋白质的cDNA准备将该目的基因转移到禾谷类作物 中去。 1.4基因代谢调控技术 在食品蛋白质工程中使用基因调控技术时,可以提高食品中游离的必需氨基 酸的含量,而不是构成蛋白质的结合状态的氨基酸的含量 高等植物中Iys是由Asp在天门冬氨酸激酶和DHPS的催化下完成的,而DHPS 是合成反应中的关键酶,因而提高DHPS的水平也就可望提高游离氨基酸Iys的含 量。 Shaul(1992)把Ecoi编码DHPS的基因转入烟草中,发现转基因烟草中Lys的 含量提高了15倍。 Glassman(1992)用相同的方法使转基因烟草中游离Lys的含 量从354ugg千叶提高到3000ugg千叶,提高85倍
1.3异源基因的导入和表达 异源基因是指从分类学关系较远的植物中分离获得的目的基因。 巴西豆BN2S白蛋白富含Met（18%）和Cys（8%）。Altenabch（1991）把巴 西豆编码BN2S白蛋白的基因转移到烟草和油菜中去，发现BN2S基因在转基因烟 草和油菜中能表达，表达水平达到8%。 翅豆中有一个19.5KD、由238个氨基酸残基组成、富含Lys（10.8%）的蛋白 质,Sun(1998)克隆了编码该蛋白质的cDNA,准备将该目的基因转移到禾谷类作物 中去。 1.4基因代谢调控技术 在食品蛋白质工程中使用基因调控技术时，可以提高食品中游离的必需氨基 酸的含量，而不是构成蛋白质的结合状态的氨基酸的含量。 高等植物中Lys是由Asp在天门冬氨酸激酶和DHPS的催化下完成的，而DHPS 是合成反应中的关键酶，因而提高DHPS的水平也就可望提高游离氨基酸Lys的含 量。Shaul（1992）把E.coil编码DHPS的基因转入烟草中,发现转基因烟草中Lys的 含量提高了15倍。Glassman（1992）用相同的方法使转基因烟草中游离Lys的含 量从354ug/g干叶提高到30000ug/g干叶，提高85倍
碳水化合物工程 食品的碳水化合物工程只能采用基因代谢调控技术,而不能采用基因添加技 术,达到提高碳水化合物或调整其组成的目的 高等植物体内涉及淀粉生物合成的酶类主要有 ADP--GPP、SS、BE,且这三 种酶的基因都已从多种植物中克隆,可应用于碳水化合物工程中。 2.1改变淀粉或糖的含量 Mulr(192)将编码马铃薯块茎 ADP--GPP亚基B的基因作反意处理后导入马 铃薯,结果马铃薯叶片中ADP_GPP酶活性被完全抑制,因而马铃薯块茎中淀粉含 量大大减少,而蔗糖和葡萄糖酶含量大大增加。 Worrell(1991)把玉米的6—磷酸蔗糖合成酶转移到番茄中去,使转基因番茄 叶中6—磷酸蔗糖酶活性提髙了一倍,因而,叶中淀粉的含量降低而蔗糖的含量 随之增加。 Sonnewold(1991)把E.coi无机磷酸酶的基因导入马铃薯和烟草中,也使转基 因植物中淀粉含量降低而蔗糖含量提高
二、碳水化合物工程 食品的碳水化合物工程只能采用基因代谢调控技术，而不能采用基因添加技 术，达到提高碳水化合物或调整其组成的目的。 高等植物体内涉及淀粉生物合成的酶类主要有ADP—GPP、SS、BE，且这三 种酶的基因都已从多种植物中克隆，可应用于碳水化合物工程中。 2.1改变淀粉或糖的含量 Muller(1992)将编码马铃薯块茎ADP—GPP亚基B的基因作反意处理后导入马 铃薯,结果马铃薯叶片中ADP—GPP酶活性被完全抑制，因而马铃薯块茎中淀粉含 量大大减少，而蔗糖和葡萄糖酶含量大大增加。 Worrell（1991）把玉米的6—磷酸蔗糖合成酶转移到番茄中去，使转基因番茄 叶中6—磷酸蔗糖酶活性提高了一倍，因而，叶中淀粉的含量降低而蔗糖的含量 随之增加。 Sonnewold（1991）把E.coil无机磷酸酶的基因导入马铃薯和烟草中,也使转基 因植物中淀粉含量降低而蔗糖含量提高
22改变淀粉的组成 高等植物中淀粉合成酶包括SS和GBSS Vander leji(1991)把野生马铃薯的GBSS基因导入马铃薯的amf突变体中,使转 基因马铃薯突变体回复了合成直链淀粉的能力。 目前尚无通过转移B基因来控制支链淀粉合成的有关报道 、油脂工程 FAS 3.1控制脂肪酸的链长 少数植物中含有中链硫酯酸酶,能提前从酰基一ACP中裂解正在延长中的酰 基硫酯链,从而合成和积累大量的8碳和14碳中链脂肪酸。 Voelker(1992)从加州湾菜籽中分离获得了癸酸—ACP硫酯酶的cDNA, 并导入拟南芥菜中,结果发现转基因芥菜中癸酸—ACP的活性提髙了70倍。转 基因作物种子中积累了大量原本没有的肉桂酸(12:0)和少量的肉豆蔻酸(14: 0),同时发现中链脂肪酸的増加伴随着长链脂肪酸的下降,因而总脂肪酸含量 保持不变
2.2改变淀粉的组成 高等植物中淀粉合成酶包括:SS和GBSS Vander Leji(1991)把野生马铃薯的GBSS基因导入马铃薯的amf突变体中,使转 基因马铃薯突变体回复了合成直链淀粉的能力。 目前尚无通过转移BE基因来控制支链淀粉合成的有关报道。 三、油脂工程 FAS 3.1控制脂肪酸的链长 少数植物中含有中链硫酯酸酶,能提前从酰基—ACP中裂解正在延长中的酰 基硫酯链，从而合成和积累大量的8碳和14碳中链脂肪酸。 Voelker（1992）从加州湾菜籽中分离获得了癸酸—ACP硫酯酶的cDNA， 并导入拟南芥菜中，结果发现转基因芥菜中癸酸—ACP的活性提高了70倍。转 基因作物种子中积累了大量原本没有的肉桂酸（12：0）和少量的肉豆蔻酸（14： 0），同时发现中链脂肪酸的增加伴随着长链脂肪酸的下降，因而总脂肪酸含量 保持不变
32控制脂肪酸的饱和度 Stearoy-ACP去饱和酶是控制脂肪酸饱和度的关键酶 Knutzon(1991)从芜青中分离到了硬酯酰ACP去饱和酶的cDNA,用它 构建了两个种子特异表达的反义的基因结构,再用农杆菌将这两个嵌合基因 导入到芜青和油菜种子中,结果发现反义的RNA有效的控制了去饱和酶的 表达,导致在转基因芜青和油菜种子中硬脂酸的积累。转基因种子里硬脂酸 的含量达到40%,而传统种子中硬脂酸的含量为1.2%
3.2控制脂肪酸的饱和度 Stearoyl—ACP去饱和酶是控制脂肪酸饱和度的关键酶。 Knutzon（1991）从芜青中分离到了硬酯酰ACP去饱和酶的cDNA，用它 构建了两个种子特异表达的反义的基因结构，再用农杆菌将这两个嵌合基因 导入到芜青和油菜种子中，结果发现反义的RNA有效的控制了去饱和酶的 表达，导致在转基因芜青和油菜种子中硬脂酸的积累。转基因种子里硬脂酸 的含量达到40%，而传统种子中硬脂酸的含量为1.2%
