细胞工程论文.doc
- 格式:pdf
- 大小:295.68 KB
- 文档页数:3
药用植物细胞生物反应器技术的研究进展
论文作者:刘丽丽
(牡丹江师范学院生物系生物科学专业2006级2班)
摘 要: 利用植物细胞生物反应器技术生产植物有用代谢产物, 近些年来取得了很大发展, 但植物 细胞悬浮培养的工业化应用仍受到来自生物及工程技术上的限制。针对植物细胞生物反应器技
术的特点及其研究进展, 提出在综合考虑生物学和工艺学两方面的基础上, 选育药用植物稳定高
产的优良细胞系是提高植物细胞生物反应器技术可行性的关键。
关键词: 药用植物植物细胞培养生物反应器细胞系
我国药用植物种类繁多、使用普遍, 对这些资源的开发与利用有悠久的历史, 是我国中医药学发展的
物质基础。
近年来药用植物的大量需求和野外大规模、无计划地过度利用, 野生药用植物资源受到很大破坏, 其
中相当一部分已面临濒危。在高度重视天然药物开发利用的同时, 对于药用植物资源的保护和有效利用
也成为一个世界性的课题。中药产业在面临着良好的发展机遇的同时亦将面对资源问题的挑战, 于是利用植物细胞培养技术建立药用植物细胞生物反应器来大规模地直接生产药用有效成分就有了特殊的意
义。
1.药用植物细胞生物反应器的特点 药用植物细胞生物反应器技术以药用植物细胞或组织的大规模培养为基础, 它根据“ 植物培养细胞次级代谢全能性” 的理论, 将药用植物细胞培养技术引人有用化学物质生产, 把细胞作为一个“ 活的
工厂”, 通过对细胞进行固体或液体悬浮培养大量生产次生代谢产物。当前药用植物细胞生物反应器技
术已是生物技术的重要内容, 成为植物组织培养生产应用研究的两大主流之一, 相对于人工栽培具有独
特的优点。 (1)节约自然资源, 减少对土地资源的占用, 同时不受地区、季节、气候等自然条件的影响。 (2)细胞培养个体差异小、试验周期短, 便于控制, 能节省人力、物力图。
(3)可以筛选高产的细胞株, 并通过合理实施次生代谢过程的调控提高生产率川。
2.药用植物细胞生物反应器的研究进展 自从1968年和首次报道在生物反应器中成功培养不同植物种类以来,利用植物细胞生物反应器技术, 为植物有用代谢产物的生产提供了有效生产途径和生产方法。1968年日本明治制药公司在古谷等的指
导下, 用大型培养罐开始进行人参培养的工业化生产, 从而使植物细胞发酵罐培养进入了工厂化生产的
实用阶段。此后植物细胞生物反应器方面的研究取得了迅猛的发展。国外已经或即将开展的药用植物产
品的工业化生产还有通过苦瓜细胞培养生产胰岛素、以喜树茎段愈伤组织培养生产喜树碱、以日本黄连
细胞培养生产小璧碱、毛花洋地黄细胞培养生产地黄贰丙和地高辛等 。与此同时, 许多植物种类的生物反应器技术研究达到中试水平, 一些植物也正向中试过渡, 如在臭椿、细胞悬浮培养以及对亚欧唐松
草的有关试验。其中最具影响的是日本利用紫草的细胞培养正式获得了紫草宁商业性产品引。我国药用
植物细胞培养的大规模研究是在70年代中期以后, 大量培养直接生产药用物质的研究工作取得了很大
的成绩。一些重要的药用植物如
人参、西洋参、黄连、长春花等植物细胞培养都十分成功, 经过筛选产生出相对几倍或几十倍于该植物完整植株所产生的代谢产物。据统计有40余种化合物在细胞培养中的含量超过了原植物。我国在植物细胞生物反应器工艺方面最突出的成就是在“ 八· 五” 期间刘大陆、查丽杭等发明的“ 气生内错流”
式植物细胞培养反应器。使用这种反应器培养新疆紫草细胞, 培养结束时细胞干重量达到几, 紫草宁含
量达到了细胞干重的, 是天然植株含量的一倍。目前, 有关具体药用植物细胞生物反应器技术的研究集中体现在以下几个方面。
2.1通过筛选或一些其他方法获得高产细胞系 高产细胞系的选育是解决植物细胞生物反应器技术可行性问题的关键。测定药用植物次级代谢产物
的含量为高产细胞系的建立奠定了基础。常用的测定方法有高效液相色谱法、薄层层析法、高效毛细管电泳法等, 其中等图利用放射免疫测定法, 测定培养的长春花单细胞中西萝芙木碱和蛇根碱的含量, 这
一成功使高产细胞系的筛选进人了一个新水平。筛选高产细胞系的方法有很多,目前使用较多的是直接
筛选法和诱变育种法。昊蕴祺等多次对种红豆杉终、几逆“夕、入王讹、几汤的愈伤组织培养物进行比
较, 最终选择出含量高、生长良好的细胞系。杜金华等.利用小细胞团法筛选花色昔含量高的玫瑰茄细胞
系, 花色昔含量最高者为干重的,产量为科, 分别比对照提高了几倍和几十倍。颜谦等从栽培和野生中国黄连的幼叶切块诱导出愈伤组织, 选择较松散的愈伤组织转入液体悬浮培养获得游离细胞和细胞聚集
体。经幻叮射线辐射诱变和平板培养, 筛选出小聚碱含量相当于年生亲本植物根茎含量的有个细胞系,
最高的细胞系含量为干重的。用流式细胞仪测定可对植物细胞进行连续筛选, 将生产次级代谢的细胞和
其它细胞分离开来’吕。建立培养条件和程序以保证细胞系的最大生产率培养条件的优化包括培养基组
成和培养条件如温度、光照、通气等的优化。梁等在研究培养基组成对胡萝卜悬浮系茄红素合成代谢活性影响时,具有一定的实用价值。
2.2细胞培养中次生代谢作用的探索及调节控制 次生代谢物以及次生代谢途径的研究, 一直是研究工作者感兴趣的课题之一, 尤其是次生代谢作用
的调节与控制。近年来的研究主要集中于分子水平次生代谢调控及诱导子的应用。在辽宁紫草细胞培养中, 研究了与紫草宁生物合成相关的酶类, 初步确定了紫草宁生物合成的关键酶是对轻基苯甲酸一耗牛
儿基转移酶一罗。等山在紫草细胞的悬浮培养中加人真菌诱导子采取两相培养, 使紫草宁的含量比对照
提高24倍, 其细胞量提高65倍。肠等用真菌匀浆处理婴粟细胞, 用半连续的方法进行悬浮培养可在培
养基中产生更高浓度的血根碱和二氯血根碱。实验证明诱导子的加人可引起培养细胞中代谢酶活性的变
化以及细胞超微结构的变化, 最终都会影响次级代谢产物的形成。
2.3建立适于不同植物组织培养及大生产的新型生物反应器并进行优化控制 Ushiyama等” 在以刃搅拌式生物反应器上进行了人参根组织培养生产人参细胞, 随后又在生物反
应器上成功地进行了每月的人参愈伤组织的培养。采用气升式生物反应器培养西藏红豆杉丑双勿她。,
反应器中紫杉醇总量细胞内细胞外最高达州第23天, 约为摇床培养儿, 第28天的两倍。在常见的几种反应器如悬浮植物细胞培养生物反应器、固定化细胞反应器、植物器官生物反应器等的基础上, 许多学
者对其进行了改造。
等〕用升转鼓式生物反应器培养烟草细胞, 实验了不同通气量、不同转速下细胞的生长情况, 结果显示
细胞生长速率是气升式生物反应器培养条件下的倍。
3.问题与展望 近年来探索天然药物生产工业化的途径是当前药物生产的一个新方向, 随着组织培养技术的深人
发展, 生物反应器技术将是未来研究植物药的重要课题之一。其研究工作在不同层次都取得了很大的进
展, 为药用植物细胞生物反应器技术的发展与应用奠定了基础。但是由于植物细胞培养周期较长, 次生
代谢产物含量相对较低、提取较困难, 致使目前的研究还有待深人, 例如进一步提高细胞培养过程中细胞生长的速率及同步性选育出稳定高产的优良细胞系提高植物细胞生物反应器技术所得产品的浓度和产率等。同时由子产品的产率受次级代谢物的分泌、有机体的生长和生物量的影响, 培养环境也是进行
细胞培养的重要环节。因此
必须在优化培养基成份的基础上, 优化生物反应器的结构、供氧条件和培养的剪切条件, 建立完整的培养过程的检测系统, 综合考虑生物学和工艺学两方面的原因, 加快药用植物细胞生物反应器技术发展与
应用的步伐。
参考文献
(1)李晨东, 胡铁强, 盛长忠, 等细胞培养在获得药用植物有效成分中的研究中草药的,2003.34(7); 附7一附10
(2)雷光富, 朱西儒, 等添加剂和激素对印糠脱分化及印株素含量的影响中国科学院研究生院学报, 1998(1), 21一25
(3)罗士韦人参组织培养植物生理学通讯, 叭抖,1964(2);64 (4)郑光植植物次生代谢细胞工程研究的新进展第六届国际植物组织与细胞培养会议评述植物生理学通讯,1987 ,(2)75一79
(5) 郑光植植物次生代谢细胞工程与资源开发利用云南植物研究, , 增刊1988(1);125-134
(6)郑光植三七愈伤组织的培养云南植物研究, 1989.11(13),255-262
(7)贺锡纯青篙愈伤组织的诱导分化及表蔺素含量的变化植物学报, 1983.25(1);87-90 (8)顾静文当归组织培养的研究药学学报, 1982,17(12);131-138
(9) 朱西儒, 雷光富药用植物细胞培养代谢全能性及产物检侧技术的研究进展广西科学院学报, ,1998.14(2) 1一6
(10) 黄艳, 赵德修, 李佐虎植物细胞生物反应器培养的研究进展植物学通报, 峨, 2001.18(5);567一570.