現(xiàn)代生物技術(shù)在擴(kuò)大中藥新藥源的運(yùn)用

關(guān)于現(xiàn)代生物技術(shù)在擴(kuò)大中藥新藥源的運(yùn)用第1頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五2概述:

中藥是中華民族的瑰寶，是我國(guó)勞動(dòng)人民長(zhǎng)期與疾病作斗爭(zhēng)的寶貴經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，隨著生活水平的提高，人們對(duì)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(shì)，人們對(duì)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(shì)。但傳統(tǒng)中藥材卻面臨許多問題。第2頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五3

概述:

根據(jù)普查資料，我國(guó)共有12807種中藥材，其中動(dòng)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野生植物資源為代價(jià)的，當(dāng)采集和消耗量超過自然資源的再生能力時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致物種瀕危甚至滅絕。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)平均每年都會(huì)有20％的藥材短缺。

第3頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五4為了應(yīng)對(duì)目前嚴(yán)峻的中藥資源壓力,我國(guó)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(jìn)展，已滲透到中藥的各個(gè)研究領(lǐng)域，在擴(kuò)大中藥新藥資源研究中也發(fā)揮著重要的作用。概述:第4頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五5（一）基因工程定義:

首先克隆或合成目的基因，再按照預(yù)先的設(shè)計(jì)，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)物的方法。原理:

基因重組操作水平：DNA分子水平第5頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五6第6頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五7基因工程在擴(kuò)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)第7頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五8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(gè)或十幾個(gè)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。第8頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五9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此類成分的關(guān)鍵酶，確定其基因結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行克隆、表達(dá)或基因重組以提高酶活性，快速合成所需次生代謝產(chǎn)物。第9頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五10

植物次生代謝途徑的的應(yīng)用

中國(guó)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(gè)關(guān)鍵酶基因，構(gòu)建了不同啟動(dòng)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(dá)，轉(zhuǎn)基因材料青蒿素的含量有顯著提高。第10頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五11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(duì)生物體遺傳特性進(jìn)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(dòng)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活性成分等。第11頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五12轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)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(dòng)物獲得像麝香、牛黃、犀牛角等一些動(dòng)物性中藥成為可能,從而大大節(jié)約資源,保護(hù)了這些瀕危的動(dòng)物。第12頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五13（二）細(xì)胞工程定義:

細(xì)胞工程屬于廣義的遺傳工程,是將一種生物細(xì)胞中攜帶的全套遺傳信息的基因或染色體整個(gè)導(dǎo)入另一種生物細(xì)胞,從而改變細(xì)胞的遺傳性,創(chuàng)造新的物種或品系。第13頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五14細(xì)胞工程

植物細(xì)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(xì)胞雜交（1）毛狀根培養(yǎng)系統(tǒng)（2）畸形芽培養(yǎng)系統(tǒng)第14頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五15植物組織培養(yǎng)基本思路：根據(jù)植物細(xì)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(shí)等或組織、細(xì)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。第15頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五16離體植物細(xì)胞（外植體）胚狀體根芽愈傷組織脫分化再分化植物組織培養(yǎng)過程植物體優(yōu)勢(shì)？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)良性狀第16頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五17植物組織培養(yǎng)過程第17頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五18植物組織培養(yǎng)在擴(kuò)大中藥新藥源的運(yùn)用利用生物技術(shù)將藥用植物進(jìn)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)用此方法可對(duì)重要藥用植物進(jìn)行品種純化和快速繁殖。第18頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五19植物組織培養(yǎng)在擴(kuò)大中藥新藥源的運(yùn)用成功的例子如丹參、枸杞、紫杉、百合等。也可以用此方法對(duì)一些珍稀瀕危藥用植物種質(zhì)進(jìn)行保存。第19頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五20植物體細(xì)胞雜交定義：

用兩個(gè)來自不同植物的體細(xì)胞融合成一個(gè)雜種細(xì)胞，且把雜種細(xì)胞培育成新的植物體的方法。

優(yōu)勢(shì)：（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(kuò)展了可用于雜交的親本組合范圍。

第20頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五21植物體細(xì)胞雜交第21頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五22植物體細(xì)胞雜交過程

去掉細(xì)胞壁原生質(zhì)體融合第22頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五23植物體細(xì)胞雜交在擴(kuò)大中藥新藥源的應(yīng)用雜交育種

傳統(tǒng)的突變育種和有性雜交育種歷時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)突變育種隨機(jī)性大，而采用植物體細(xì)胞雜交技術(shù)融合育種，可以克服遠(yuǎn)緣雜交存在有性不親合現(xiàn)象，大大的縮短育種時(shí)間。第23頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五24植物體細(xì)胞雜交在擴(kuò)大中藥新藥源的應(yīng)用利用植物體細(xì)胞雜交技術(shù)將西洋參的基因轉(zhuǎn)入胡蘿卜中，使細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)重新組合，得新型體細(xì)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(yùn)用，不僅能產(chǎn)生新型優(yōu)良品種，并對(duì)原有品種作出超水平的突破。

第24頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五25植物器官培養(yǎng)技術(shù)定義：指對(duì)植物某一器官的全部或部分或器官原基進(jìn)行離體培養(yǎng)的技術(shù)。目前主要有毛狀根培養(yǎng)系統(tǒng)和畸形芽培養(yǎng)系統(tǒng)。第25頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五26毛狀根培養(yǎng)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(dá)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(rèn)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。第26頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五27毛狀根培養(yǎng)優(yōu)點(diǎn):1、生長(zhǎng)迅速毛狀根具有大量的分枝和根毛,生長(zhǎng)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(qiáng)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(xì)胞高,并且能夠合成某些愈傷組織和懸浮培養(yǎng)細(xì)胞不能合成的次生代謝物。第27頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五28毛狀根培養(yǎng)在擴(kuò)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(jià)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(guó)已建立毛細(xì)根培養(yǎng)系統(tǒng)的藥用植物有甘草、青蒿、人參、丹參、絞股藍(lán)等。第28頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五29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(jìn)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(zhǎng)速度有的還可以超過毛狀根。第29頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五30（三）生物轉(zhuǎn)化技術(shù)目前已經(jīng)知道植物細(xì)胞具有諸如酯化、氧化、還原、乙?；⒓谆榷喾N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(shí)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(kuò)大自然界天然產(chǎn)物來源，也就是擴(kuò)大藥用資源的來源。第30頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五31生物轉(zhuǎn)化技術(shù)定義生物轉(zhuǎn)化（biotransformation）是利用植物離體細(xì)胞或器官、動(dòng)物細(xì)胞、微生物及其細(xì)胞器，以及游離酶對(duì)外源性化合物（exogenoussubstrate）進(jìn)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(duì)中藥化學(xué)成分進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，可產(chǎn)生新的天然化合物庫(kù)，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。第31頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五32生物轉(zhuǎn)化技術(shù)在擴(kuò)大中藥新藥源的運(yùn)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(dá)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：①懸浮細(xì)胞進(jìn)行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)；②固定化細(xì)胞進(jìn)行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)；③植物酶制劑進(jìn)行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)。第32頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五33懸浮細(xì)胞進(jìn)行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)植物懸浮培養(yǎng)細(xì)胞進(jìn)行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)，即在懸浮培養(yǎng)的細(xì)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(shí)還可以通過改變培養(yǎng)條件等來提高有效成分含量以達(dá)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(xì)胞后，植物產(chǎn)量大幅度提高。第33頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五34固定化細(xì)胞進(jìn)行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)固定化細(xì)胞是將動(dòng)植物或微生物細(xì)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(zhǎng)生產(chǎn)周期，并易于細(xì)胞的分離和回收。有人利用洋地黃培養(yǎng)細(xì)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(qiáng)心甙甲基地高辛，使用200L發(fā)酵罐可以獲得600～700mg／L的轉(zhuǎn)化率，有望進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。第34頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五35固定化細(xì)胞進(jìn)行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)a．提高了次生物質(zhì)的合成、積累；b．能長(zhǎng)時(shí)間保持細(xì)胞活力；C．可以反復(fù)使用；d．抗剪切能力強(qiáng)；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(diǎn)第35頁，共38頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)23分，星期五36植物酶制劑進(jìn)行的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)培養(yǎng)的植物細(xì)胞對(duì)化合物的轉(zhuǎn)化實(shí)際上是細(xì)胞中存在的某些酶參與催化的生物化學(xué)反應(yīng)。因