農(nóng)業(yè)生物反應(yīng)器

農(nóng)業(yè)生物反應(yīng)器第1頁/共34頁2023/3/72本章內(nèi)容第一節(jié)

生物反應(yīng)器的含義第二節(jié)

動物生物反應(yīng)器第三節(jié)

植物生物反應(yīng)器第2頁/共34頁2023/3/73第一節(jié)生物反應(yīng)器的含義生物反應(yīng)器指能夠生產(chǎn)外源蛋白的轉(zhuǎn)基因生物體。細(xì)菌、酵母、植物、昆蟲、動物或動物細(xì)胞都是很好的生產(chǎn)系統(tǒng)。創(chuàng)制生物反應(yīng)器的根本目的：→→獲得相應(yīng)基因產(chǎn)品。第3頁/共34頁2023/3/74生物反應(yīng)器評價各系統(tǒng)都有其特定的優(yōu)勢和劣勢。原核生物和植物：基因改造容易、成本低，繁殖速度快。但所生產(chǎn)的蛋白生物活性不完善。昆蟲生物反應(yīng)器：產(chǎn)量往往不高。轉(zhuǎn)基因動物：生產(chǎn)的蛋白具有生物活性，且純化簡單、投資少、成本低，對環(huán)境沒有污染。但獲得較困難。最有前途的生產(chǎn)系統(tǒng)還是轉(zhuǎn)基因動物。第4頁/共34頁2023/3/75第二節(jié)動物生物反應(yīng)器

利用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)人們所需要的蛋白質(zhì)產(chǎn)物，這種轉(zhuǎn)基因動物被稱為動物生物反應(yīng)器或者動物個體表達系統(tǒng)。第5頁/共34頁2023/3/76一、研究意義基因產(chǎn)品的制備

細(xì)菌發(fā)酵法（傳統(tǒng)法），如人胰島素、干擾素及生長素等。但某些蛋白質(zhì)無法生產(chǎn)。

動物細(xì)胞培養(yǎng)法，規(guī)模有限，難批量生產(chǎn)。

動物反應(yīng)器，生產(chǎn)蛋白類活性物質(zhì)的首選。第6頁/共34頁2023/3/77二、利用程序價值基因→動物受精卵或早期胚胎→轉(zhuǎn)基因動物→基因高效表達→分離提取目的基因產(chǎn)物。第7頁/共34頁2023/3/78三、應(yīng)用類型及前景1、本體生物反應(yīng)器2、血液生物反應(yīng)器3、乳腺生物反應(yīng)器4、輸卵管生物反應(yīng)器第8頁/共34頁2023/3/791、本體生物反應(yīng)器轉(zhuǎn)基因動物身體→→外源蛋白。需要殺死動物。轉(zhuǎn)基因蠶和蠅等昆蟲，特色的生物反應(yīng)器。但不適于哺乳類大動物。第9頁/共34頁2023/3/7102、血液生物反應(yīng)器動物血液→→外源蛋白。優(yōu)點：①血液可再生；②采血較容易；③無須殺死動物。肝臟→→外源蛋白質(zhì)→→血液。缺點：①采血量受限制；②某些外源蛋白質(zhì)進入血液會影響動物的健康。第10頁/共34頁2023/3/711應(yīng)用優(yōu)勢轉(zhuǎn)基因動物→→人血紅蛋白解決血液來源問題；避免血液途徑的疾病感染。轉(zhuǎn)人血紅蛋白基因豬，成分完全相同。第11頁/共34頁2023/3/7123、乳腺生物反應(yīng)器動物乳汁→→外源蛋白，最理想最成功。乳汁產(chǎn)量大；蛋白質(zhì)含量高；采集方便，易于機械化。乳腺與循環(huán)系統(tǒng)相對獨立。動物本身不受外源活性蛋白成分的影響。乳汁中蛋白質(zhì)含量為30～35g/L，奶牛年產(chǎn)奶1000L，奶山羊年產(chǎn)奶200L。第12頁/共34頁2023/3/713乳腺生物反應(yīng)器的應(yīng)用

轉(zhuǎn)基因?；蜓颍a(chǎn)昂貴基因藥物。荷蘭：轉(zhuǎn)乳鐵蛋白基因牛，嬰兒免疫力。紅細(xì)胞生成素轉(zhuǎn)基因牛，腫瘤治療。英國：1-抗胰蛋白酶（ATT）轉(zhuǎn)基因羊，治療囊性纖維化和肺氣腫。美日：凝血酶原轉(zhuǎn)基因牛，臨床。第13頁/共34頁2023/3/7144、輸卵管生物反應(yīng)器動物蛋清→→外源蛋白。利用雞蛋生產(chǎn)重組蛋白的研究正在開展。雞的成熟期短，飼養(yǎng)管理簡單；250枚/年，成本低廉；蛋清蛋黃分離，提取簡單。轉(zhuǎn)禽類白血病病毒的外殼蛋白基因的轉(zhuǎn)基因雞。第14頁/共34頁2023/3/715第三節(jié)植物生物反應(yīng)器植物具有易于生長；管理粗放；技術(shù)要求低的特點?？傎M用更為低廉。主要目的：生產(chǎn)具有商業(yè)價值的蛋白質(zhì)及具有特殊化學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)。美國，植物基因藥物90億美元/年。第15頁/共34頁2023/3/716一、生產(chǎn)糖類物質(zhì)全世界年需求：蔗糖1×108t，淀粉1×108t?；蚬こ讨参?，提高含糖量和淀粉含量。第16頁/共34頁2023/3/7171、不含直鏈淀粉的高淀粉馬鈴薯反義RNA技術(shù)，轉(zhuǎn)直鏈淀粉合成酶基因，得到完全不含直鏈淀粉的馬鈴薯。烘烤食品。將細(xì)菌ADP葡糖焦磷酸化酶基因轉(zhuǎn)入馬鈴薯，淀粉含量提高60％。第17頁/共34頁2023/3/7182、生產(chǎn)環(huán)化糊精的馬鈴薯環(huán)化糊精糖基轉(zhuǎn)移酶基因↓轉(zhuǎn)基因馬鈴薯↓表達環(huán)狀糊精比化學(xué)合成的成本要低得多第18頁/共34頁2023/3/7193、生產(chǎn)果糖的煙草和馬鈴薯轉(zhuǎn)基因合成新糖類。煙草和馬鈴薯本身不含果糖，將枯草桿菌果糖轉(zhuǎn)移酶基因轉(zhuǎn)入后，可獲得果糖。轉(zhuǎn)基因煙草：果糖占植株干重的3～8％；轉(zhuǎn)基因馬鈴薯：果糖含量，葉片的1～3％，塊莖的1％～7％。第19頁/共34頁2023/3/7204、生產(chǎn)甘露醇的煙草大腸桿菌的甘露醇-1-磷酸脫氫酶基因，轉(zhuǎn)入煙草，甘露醇含量6μmol/g。海藻糖，食品鮮味添加劑。酵母提取，成本每公斤200美元。Mogen公司和Calgene公司正在嘗試在轉(zhuǎn)基因植物中生產(chǎn)海藻糖。第20頁/共34頁2023/3/721二、生產(chǎn)生物降解塑料的原料

轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)聚β羥基丁酯（PHB），以生物降解塑料取代化學(xué)塑料，根治“白色污染”。1992，美國，轉(zhuǎn)基因擬南芥，PHB含量1％，植株生長受抑制。1994，美國，改良轉(zhuǎn)基因擬南芥，PHB14%，植株正常。目前，英國，轉(zhuǎn)基因油菜美國，轉(zhuǎn)基因油菜和大豆。第21頁/共34頁2023/3/722三、生產(chǎn)蛋白質(zhì)和多肽利用植物生產(chǎn)各種蛋白質(zhì)、多肽，可以保證正確的加工和折疊，成本較低，更易被公眾所接受。凝血因子水蛭素、外源蛋白、藥用多肽（亮氨酸腦啡肽）以及多種抗體（IgG、IgM、IgG∕IgA）。第22頁/共34頁2023/3/723植物=

制藥廠轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)藥物市場潛能極大：產(chǎn)品成分用途年銷售額（億美元）長春花堿治療白血病18~20（美國）阿嗎靈循環(huán)系統(tǒng)障礙藥5～25（全世界）奎寧治療瘧疾5～10（美國）致熱素殺蟲劑20（全世界）毛地黃心臟病藥20～55（美國）第23頁/共34頁2023/3/724植物疫苗利用植物系統(tǒng)生產(chǎn)疫苗，是世界研究熱點。全世界每年1.2×108個新生嬰兒，需注射16種不同疫苗。人們設(shè)想：食用轉(zhuǎn)基因植物=注射疫苗。接種方便；節(jié)約費用。第24頁/共34頁2023/3/7251.人類疫苗利用植物生產(chǎn)動物疫苗是二十世紀(jì)九十年代后發(fā)展起來的一個新研究領(lǐng)域。1994年美國等人將乙型肝炎病毒表面抗原基因（HBSAY）轉(zhuǎn)移到煙草中，并得到表達。抗原蛋白占煙草可溶性蛋白的001%，將該蛋白提純后給老鼠注射上，七天后老鼠體內(nèi)產(chǎn)生了抗體。1995年將不耐熱的腸毒素B亞單位（LT—B）轉(zhuǎn)移到馬鈴薯，并得到表達。老鼠吃了轉(zhuǎn)基因馬鈴薯，七天后產(chǎn)生了相應(yīng)的抗體。第25頁/共34頁2023/3/726人類疫苗目前在植物中已獲得滿意結(jié)果的疫苗有：乙肝病毒疫苗、霍亂弧菌疫苗、肺結(jié)核疫苗、產(chǎn)腸毒素大腸桿菌疫苗、呼吸合胞病毒疫苗、狂犬病毒疫苗、涎腺病毒疫苗、輪狀病毒疫苗、麻疹病毒疫苗、牙齲疫苗。第26頁/共34頁2023/3/727人類疫苗上述抗原基因已轉(zhuǎn)化的植物有：煙草、馬鈴薯、胡蘿卜、番茄、香蕉、萵苣、羽扁豆、菠菜、玉米等。志愿者吃了生土豆片、萵苣、番茄、香蕉等均產(chǎn)生了良好的免疫反應(yīng)。第27頁/共34頁2023/3/728目前，番茄、馬鈴薯、萵苣和煙草等植物已被用來生產(chǎn)疫苗。如：諾沃克病毒疫苗，乙型肝炎的表面抗原（HBsAg）香蕉：最合適。易于轉(zhuǎn)外源基因；產(chǎn)量很高；果實有益健康，易為世人接受。2003年3月，中國農(nóng)科院生物技術(shù)中心，抗乙肝轉(zhuǎn)基因番茄，具有預(yù)防乙肝作用，被稱為疫苗水果。目前，正處于環(huán)境釋放階段。2004年進入市場。第28頁/共34頁2023/3/7292.動物疫苗1999年，Wigderovitz等人將動物口蹄疫抗原基因VP1轉(zhuǎn)移到苜蓿，并在苜蓿中得到表達。該基因后又轉(zhuǎn)移到白三葉草。老鼠、兔子、羊、牛等動物吃了轉(zhuǎn)基因牧草后都產(chǎn)生了良好的免疫反應(yīng)。除此之外，已將豬感性胃腸炎冠形病毒疫苗、兔出血病病毒疫苗、犬細(xì)小病毒疫苗等已轉(zhuǎn)移到牧草獲得成功。。第29頁/共34頁2023/3/730植物生物反應(yīng)器前景看好目前的新領(lǐng)域，吸引眾多公司投資。物質(zhì)種類類型基因來源應(yīng)用范圍轉(zhuǎn)基因植物脂肪

中長度脂肪酸月桂食品業(yè)、去污劑油菜不飽和脂肪酸兔食品業(yè)煙草飽和脂肪酸油菜食品業(yè)、糖果業(yè)油菜聚羥基丁酸細(xì)菌可降解塑料油菜、大豆、擬南芥糖無直鏈淀粉馬鈴薯食品業(yè)、其他工業(yè)馬鈴薯環(huán)化糊精細(xì)菌食品業(yè)、醫(yī)藥業(yè)馬鈴薯多聚果糖細(xì)菌食品業(yè)、其他工業(yè)煙草、馬鈴薯淀粉大腸桿菌食品業(yè)、其他工業(yè)馬鈴薯第30頁/共34頁2023/3/731物質(zhì)種類類型基因來源應(yīng)用范圍轉(zhuǎn)基因植物醫(yī)藥蛋白抗體鼠增強免疫能力煙草抗原細(xì)菌、病毒口服疫苗煙草、番茄、萵苣、馬鈴薯抗原病原物亞基疫苗煙草上皮生長因子人特殊細(xì)胞增殖煙草紅細(xì)胞生成素人調(diào)節(jié)紅細(xì)胞水平煙草生長激素鮭魚生長調(diào)節(jié)煙草、擬南芥水蛭素人工合成凝血酶抑制劑油菜人血清蛋白人原生質(zhì)擴張劑煙草、馬鈴薯干擾素人抗病毒蘿卜第31頁/共34頁2023/3/732物質(zhì)種類類型基因來源應(yīng)用范圍轉(zhuǎn)基因植物工業(yè)用酶淀粉酶細(xì)菌淀粉的水解煙草、苜蓿