現(xiàn)代生物技術(shù)在擴大中藥新藥源的運用

1、2目錄概述現(xiàn)代生物技術(shù) 基因工程 細胞工程 生物轉(zhuǎn)化技術(shù)小結(jié)3 概述: 中藥是中華民族的瑰寶，是我國勞動人民長期與疾病作斗爭的寶貴經(jīng)驗總結(jié)，隨著生活水平的提高，人們對生命質(zhì)量日趨關(guān)注，而化學(xué)合成藥物產(chǎn)生的不良反應(yīng)越來越明顯，藥源性疾病不斷增加，回歸自然已成為必然趨勢，人們對天然藥物有了極高的重視與需求。中藥產(chǎn)品逐漸顯出其巨大的潛在優(yōu)勢。但傳統(tǒng)中藥材卻面臨許多問題。4 概述概述: : 根據(jù)普查資料，我國共有12807種中藥材，其中動物藥有1581種，礦物藥80種，植物藥占了絕大多數(shù)，有 1l146 種。 常用的中藥400-500種，其中80來自野生資源，但傳統(tǒng)的中草藥獲取方法是以采集和消耗大量的

2、野生植物資源為代價的，當(dāng)采集和消耗量超過自然資源的再生能力時，必然會導(dǎo)致物種瀕危甚至滅絕。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，我國平均每年都會有20的藥材短缺。 5 為了應(yīng)對目前嚴(yán)峻的中藥資源壓力, 我國采取了中藥材栽培和野生撫育等多種手段, 但這些不能完全解決中藥資源緊缺問題。近幾十年來，生物技術(shù)在許多領(lǐng)域取得了巨大的進展，已滲透到中藥的各個研究領(lǐng)域，在擴大中藥新藥資源研究中也發(fā)揮著重要的作用。概述概述: :6（一）基因工程（一）基因工程定義定義: : 首先克隆或合成目的基因，再按照預(yù)先的設(shè)計，將目的基因和載體重組在一起，以一定的方式導(dǎo)入生物體內(nèi)，讓受體生物的遺傳性狀發(fā)生預(yù)期的改變，產(chǎn)生出人類所需要的基因產(chǎn)物的

3、方法。原理原理: : 基因重組操作水平：操作水平：DNA分子水平78基因工程基因工程在擴大中藥資源中的應(yīng)用在擴大中藥資源中的應(yīng)用（1）植物次生代謝途徑的基因工程（2）轉(zhuǎn)基因生物技術(shù) 9植物次生代謝途徑的基因工程植物次生代謝途徑的基因工程 利用次生代謝產(chǎn)物合成過程的關(guān)鍵酶來提高次生代謝物的產(chǎn)量。 傳統(tǒng)藥材含有的有效成分絕大部分是次生代謝產(chǎn)物，合成途徑非常復(fù)雜，往往有幾個或十幾個酶參與，因而找出形成特定產(chǎn)物的關(guān)鍵酶就成為利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)傳統(tǒng)藥材有效成分的關(guān)鍵步驟之一。10植物次生代謝途徑的基因工程植物次生代謝途徑的基因工程 目前許多類型的次生代謝產(chǎn)物的生物合成途徑已經(jīng)清楚，采用生化手段找出形成

4、此類成分的關(guān)鍵酶，確定其基因結(jié)構(gòu)，在進行克隆、表達或基因重組以提高酶活性，快速合成所需次生代謝產(chǎn)物。11植物次生代謝途徑的的應(yīng)用植物次生代謝途徑的的應(yīng)用 中國科學(xué)院植物研究所葉和春研究員課題組已克隆出青蒿素生物合成途徑中4個關(guān)鍵酶基因，構(gòu)建了不同啟動子下的Cad和FPP基因已整合到青蒿發(fā)狀根和愈傷組織的基因組中，并在轉(zhuǎn)錄水平上已有表達，轉(zhuǎn)基因材料青蒿素的含量有顯著提高。 12轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)定義： 指用基因工程技術(shù)在基因水平對生物體遺傳特性進行改造的過程，因此，轉(zhuǎn)基因生物也稱為遺傳改良生物。 利用轉(zhuǎn)基因生物體，人們可以獲得藥用動物、植物中的藥用活性物質(zhì)，也可以獲得藥材中的蛋白和多肽

5、活性成分等。 13轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)的應(yīng)用的應(yīng)用 利用轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)人工定向改變藥用植物的遺傳性狀，可培養(yǎng)出一些抗病毒、抗蟲害、抗除草劑的新型中藥。 轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)的發(fā)展使利用轉(zhuǎn)基因動物獲得像麝香、牛黃、犀牛角等一些動物性中藥成為可能,從而大大節(jié)約資源,保護了這些瀕危的動物。 14（二）（二） 細胞工程定義: 細胞工程屬于廣義的遺傳工程,是將一種生物細胞中攜帶的全套遺傳信息的基因或染色體整個導(dǎo)入另一種生物細胞, 從而改變細胞的遺傳性, 創(chuàng)造新的物種或品系。15細胞工程 植物細胞技術(shù)器官培養(yǎng)技術(shù)（1） 植物組織培養(yǎng)（2） 植物體細胞雜交 （1） 毛狀根培養(yǎng)系統(tǒng)（2） 畸形芽培養(yǎng)系統(tǒng)16

6、植物組織培養(yǎng)植物組織培養(yǎng)基本思路基本思路：根據(jù)植物細胞具有全能性理論，利用植物離體的器官，如根、莖、葉、莖尖、花、果實等或組織、細胞，在適宜的人工條件下，可以再生出不定芽、不定根，最后形成完整的植株。 17離體植離體植物細胞物細胞（外植體）（外植體）胚狀體胚狀體根芽根芽愈傷組織愈傷組織脫分化脫分化再再分化分化植物組織培養(yǎng)植物組織培養(yǎng)過程過程植物體植物體優(yōu)勢？優(yōu)勢？繁殖速度快不受季節(jié)限制工廠化生產(chǎn)幼苗無毒保持優(yōu)良性狀18植物組織培養(yǎng)過程植物組織培養(yǎng)過程19植物組織培養(yǎng)在擴大中藥新藥源的運用植物組織培養(yǎng)在擴大中藥新藥源的運用 利用生物技術(shù)將藥用植物進行組織培養(yǎng)，建立無性繁殖體系并誘導(dǎo)分化為植株，應(yīng)

7、用此方法可對重要藥用植物進行品種純化和快速繁殖。20植物組織培養(yǎng)在擴大中藥新藥源的運用植物組織培養(yǎng)在擴大中藥新藥源的運用 成功的例子如丹參、枸杞、紫杉、百合等。也可以用此方法對一些珍稀瀕危藥用植物種質(zhì)進行保存。21植物體細胞雜交植物體細胞雜交定義：定義： 用兩個來自不同植物的體細胞融合成一個雜種細胞，且把雜種細胞培育成新的植物體的方法。 優(yōu)勢優(yōu)勢：（與有性雜交方法比較） 打破了不同種生物間的生殖隔離限制，大大擴展了可用于雜交的親本組合范圍。 22植物體細胞雜交植物體細胞雜交23植物體細胞雜交過程植物體細胞雜交過程 去掉細胞壁去掉細胞壁原生質(zhì)體融合原生質(zhì)體融合24植物體細胞雜交在擴大中藥新藥源的

8、應(yīng)用植物體細胞雜交在擴大中藥新藥源的應(yīng)用雜交育種雜交育種 傳統(tǒng)的突變育種和有性雜交育種歷時長，同時突變育種隨機性大，而采用植物體細胞雜交技術(shù)融合育種，可以克服遠緣雜交存在有性不親合現(xiàn)象，大大的縮短育種時間。25植物體細胞雜交在擴大中藥新藥源的應(yīng)用植物體細胞雜交在擴大中藥新藥源的應(yīng)用 利用植物體細胞雜交技術(shù)將西洋參的基因轉(zhuǎn)入胡蘿卜中，使細胞內(nèi)遺傳物質(zhì)重新組合，得新型體細胞雜交品種。此外，此種技術(shù)在丹參、天麻等多種藥用植物中已得到運用，不僅能產(chǎn)生新型優(yōu)良品種，并對原有品種作出超水平的突破。 26植物器官培養(yǎng)技術(shù)植物器官培養(yǎng)技術(shù)定義： 指對植物某一器官的全部或部分或器官原基進行離體培養(yǎng)的技術(shù)。目前主

9、要有毛狀根培養(yǎng)系統(tǒng)和畸形芽培養(yǎng)系統(tǒng)。27毛狀根培養(yǎng)毛狀根培養(yǎng)系統(tǒng)系統(tǒng) 毛狀根是農(nóng)桿菌中根誘導(dǎo)(root-indu-cing, Ri)質(zhì)粒的一段DNA嵌入植物基因組中并表達的結(jié)果,因此毛狀根培養(yǎng)又被稱為轉(zhuǎn)基因器官培養(yǎng)。科學(xué)家們認為親本植物能夠合成的次生代謝產(chǎn)物都可用毛狀根培養(yǎng)來生產(chǎn),因而這是一條利用生物技術(shù)生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物的新的有效途徑。28毛狀根培養(yǎng)優(yōu)點毛狀根培養(yǎng)優(yōu)點:1、生長迅速 毛狀根具有大量的分枝和根毛,生長快速,具有激素自養(yǎng)性,可用于大量培養(yǎng)。2、次生產(chǎn)物合成能力強且穩(wěn)定 毛狀根次生代謝物含量一般比愈傷組織和懸浮培養(yǎng)的細胞高,并且能夠合成某些愈傷組織和懸浮培養(yǎng)細胞不能合成的次生代謝物。

10、29毛狀根培養(yǎng)在擴大中藥新藥源的應(yīng)用毛狀根培養(yǎng)在擴大中藥新藥源的應(yīng)用 迄今已有數(shù)百種具有開發(fā)利用價值的次生產(chǎn)物從不同植物的發(fā)根培養(yǎng)物中獲得。在中國已建立毛細根培養(yǎng)系統(tǒng)的藥用植物有甘草、青蒿、人參、丹參、絞股藍等。30畸形芽培養(yǎng)系統(tǒng)畸形芽培養(yǎng)系統(tǒng) 雖然轉(zhuǎn)化根可以產(chǎn)生許多化合物，但幾乎不能產(chǎn)生地上部分合成的產(chǎn)物；相反，分化的莖則能促進這些化合物的合成。通過根癌農(nóng)桿菌感染形成的畸形芽已發(fā)展成為另一類重要的培養(yǎng)系統(tǒng)。目前已建立了煙草、顛沛、馬鈴薯、澳洲茄、薄荷等植物的畸形芽培養(yǎng)系統(tǒng)，其生長速度有的還可以超過毛狀根。 31（三）生物轉(zhuǎn)化技術(shù)（三）生物轉(zhuǎn)化技術(shù) 目前已經(jīng)知道植物細胞具有諸如酯化、氧化、還原

11、、乙?；?、甲基化等多種生物轉(zhuǎn)化能力。在理論上，利用生物體系可以在溫和的培養(yǎng)條件下，實現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物的結(jié)構(gòu)改造，由此可以擴大自然界天然產(chǎn)物來源，也就是擴大藥用資源的來源。 32生物轉(zhuǎn)化技術(shù)生物轉(zhuǎn)化技術(shù) 定義 生物轉(zhuǎn)化（ biotransformation ）是利用植物離體細胞或器官、動物細胞、微生物及其細胞器，以及游離酶對外源性化合物（exogenous substrate）進行結(jié)構(gòu)修飾的生化反應(yīng)。以多種不同催化功能的酶體系對中藥化學(xué)成分進行生物轉(zhuǎn)化，可產(chǎn)生新的天然化合物庫，再通過與藥理篩選手段相結(jié)合，可從中尋找新的高活性或低毒性的天然活性先導(dǎo)化合物。 33 生物轉(zhuǎn)化技術(shù)在擴大中藥新藥源

12、的運用生物轉(zhuǎn)化技術(shù)在擴大中藥新藥源的運用 利用定向生物轉(zhuǎn)化技術(shù)可將天然藥物中的高含量成分轉(zhuǎn)化成微量高活性成分，就可以大大提高微量成分的含量，使其達到產(chǎn)業(yè)化的要求。 通常采用的生物轉(zhuǎn)化體系有以下幾種類型： 懸浮細胞進行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)； 固定化細胞進行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)； 植物酶制劑進行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)。34懸浮細胞進行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)懸浮細胞進行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng) 植物懸浮培養(yǎng)細胞進行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)，即在懸浮培養(yǎng)的細胞體系中加入適當(dāng)?shù)幕衔飦磙D(zhuǎn)化合成目的有效成分，同時還可以通過改變培養(yǎng)條件等來提高有效成分含量以達到工業(yè)化的要求。 例如，毛地黃、紫蘇采用生物轉(zhuǎn)化技術(shù)的植物懸浮培養(yǎng)細胞后，植物產(chǎn)量大幅度提高。3

13、5固定化細胞進行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)固定化細胞進行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng) 固定化細胞是將動植物或微生物細胞固定于合適的不溶性載體上的一種技術(shù)，它可以提高生產(chǎn)效率，延長生產(chǎn)周期，并易于細胞的分離和回收。 有人利用洋地黃培養(yǎng)細胞特定的羥基化能力將洋地黃甙轉(zhuǎn)化為臨床上使用的強心甙甲基地高辛，使用200L發(fā)酵罐可以獲得600700mgL的轉(zhuǎn)化率，有望進行商業(yè)化生產(chǎn)。36固定化細胞進行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的固定化細胞進行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的優(yōu)點優(yōu)點a提高了次生物質(zhì)的合成、積累；b能長時間保持細胞活力；C可以反復(fù)使用；d抗剪切能力強；e耐受有毒前體的濃度高；f遺傳性狀較穩(wěn)定；g后處理難度小等特點37植物酶制劑進行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng) 培養(yǎng)的植物細胞對化合物的轉(zhuǎn)化實際上是細胞中存在的某些酶參與催化的生物化學(xué)反應(yīng)。因此，直接應(yīng)用植物酶制劑也可實現(xiàn)高效的生物轉(zhuǎn)化。38小結(jié)小結(jié) 現(xiàn)代生物技術(shù)基因工程原理：基因重組技術(shù)應(yīng)用植物次生代謝途徑轉(zhuǎn)基因細胞工程植物細胞工程原理：細胞的全能性技術(shù)