农业生物反应器

农业生物反应器第1页/共34页2023/3/72本章内容第一节

生物反应器的含义第二节

动物生物反应器第三节

植物生物反应器第2页/共34页2023/3/73第一节生物反应器的含义生物反应器指能够生产外源蛋白的转基因生物体。细菌、酵母、植物、昆虫、动物或动物细胞都是很好的生产系统。创制生物反应器的根本目的：→→获得相应基因产品。第3页/共34页2023/3/74生物反应器评价各系统都有其特定的优势和劣势。原核生物和植物：基因改造容易、成本低，繁殖速度快。但所生产的蛋白生物活性不完善。昆虫生物反应器：产量往往不高。转基因动物：生产的蛋白具有生物活性，且纯化简单、投资少、成本低，对环境没有污染。但获得较困难。最有前途的生产系统还是转基因动物。第4页/共34页2023/3/75第二节动物生物反应器

利用转基因动物生产人们所需要的蛋白质产物，这种转基因动物被称为动物生物反应器或者动物个体表达系统。第5页/共34页2023/3/76一、研究意义基因产品的制备

细菌发酵法（传统法），如人胰岛素、干扰素及生长素等。但某些蛋白质无法生产。

动物细胞培养法，规模有限，难批量生产。

动物反应器，生产蛋白类活性物质的首选。第6页/共34页2023/3/77二、利用程序价值基因→动物受精卵或早期胚胎→转基因动物→基因高效表达→分离提取目的基因产物。第7页/共34页2023/3/78三、应用类型及前景1、本体生物反应器2、血液生物反应器3、乳腺生物反应器4、输卵管生物反应器第8页/共34页2023/3/791、本体生物反应器转基因动物身体→→外源蛋白。需要杀死动物。转基因蚕和蝇等昆虫，特色的生物反应器。但不适于哺乳类大动物。第9页/共34页2023/3/7102、血液生物反应器动物血液→→外源蛋白。优点：①血液可再生；②采血较容易；③无须杀死动物。肝脏→→外源蛋白质→→血液。缺点：①采血量受限制；②某些外源蛋白质进入血液会影响动物的健康。第10页/共34页2023/3/711应用优势转基因动物→→人血红蛋白解决血液来源问题；避免血液途径的疾病感染。转人血红蛋白基因猪，成分完全相同。第11页/共34页2023/3/7123、乳腺生物反应器动物乳汁→→外源蛋白，最理想最成功。乳汁产量大；蛋白质含量高；采集方便，易于机械化。乳腺与循环系统相对独立。动物本身不受外源活性蛋白成分的影响。乳汁中蛋白质含量为30～35g/L，奶牛年产奶1000L，奶山羊年产奶200L。第12页/共34页2023/3/713乳腺生物反应器的应用

转基因牛或羊，生产昂贵基因药物。荷兰：转乳铁蛋白基因牛，婴儿免疫力。红细胞生成素转基因牛，肿瘤治疗。英国：1-抗胰蛋白酶（ATT）转基因羊，治疗囊性纤维化和肺气肿。美日：凝血酶原转基因牛，临床。第13页/共34页2023/3/7144、输卵管生物反应器动物蛋清→→外源蛋白。利用鸡蛋生产重组蛋白的研究正在开展。鸡的成熟期短，饲养管理简单；250枚/年，成本低廉；蛋清蛋黄分离，提取简单。转禽类白血病病毒的外壳蛋白基因的转基因鸡。第14页/共34页2023/3/715第三节植物生物反应器植物具有易于生长；管理粗放；技术要求低的特点。总费用更为低廉。主要目的：生产具有商业价值的蛋白质及具有特殊化学性质的物质。美国，植物基因药物90亿美元/年。第15页/共34页2023/3/716一、生产糖类物质全世界年需求：蔗糖1×108t，淀粉1×108t。基因工程植物，提高含糖量和淀粉含量。第16页/共34页2023/3/7171、不含直链淀粉的高淀粉马铃薯反义RNA技术，转直链淀粉合成酶基因，得到完全不含直链淀粉的马铃薯。烘烤食品。将细菌ADP葡糖焦磷酸化酶基因转入马铃薯，淀粉含量提高60％。第17页/共34页2023/3/7182、生产环化糊精的马铃薯环化糊精糖基转移酶基因↓转基因马铃薯↓表达环状糊精比化学合成的成本要低得多第18页/共34页2023/3/7193、生产果糖的烟草和马铃薯转基因合成新糖类。烟草和马铃薯本身不含果糖，将枯草杆菌果糖转移酶基因转入后，可获得果糖。转基因烟草：果糖占植株干重的3～8％；转基因马铃薯：果糖含量，叶片的1～3％，块茎的1％～7％。第19页/共34页2023/3/7204、生产甘露醇的烟草大肠杆菌的甘露醇-1-磷酸脱氢酶基因，转入烟草，甘露醇含量6µmol/g。海藻糖，食品鲜味添加剂。酵母提取，成本每公斤200美元。Mogen公司和Calgene公司正在尝试在转基因植物中生产海藻糖。第20页/共34页2023/3/721二、生产生物降解塑料的原料

转基因植物生产聚β羟基丁酯（PHB），以生物降解塑料取代化学塑料，根治“白色污染”。1992，美国，转基因拟南芥，PHB含量1％，植株生长受抑制。1994，美国，改良转基因拟南芥，PHB14%，植株正常。目前，英国，转基因油菜美国，转基因油菜和大豆。第21页/共34页2023/3/722三、生产蛋白质和多肽利用植物生产各种蛋白质、多肽，可以保证正确的加工和折叠，成本较低，更易被公众所接受。凝血因子水蛭素、外源蛋白、药用多肽（亮氨酸脑啡肽）以及多种抗体（IgG、IgM、IgG∕IgA）。第22页/共34页2023/3/723植物=

制药厂转基因植物生产药物市场潜能极大：产品成分用途年销售额（亿美元）长春花碱治疗白血病18~20（美国）阿吗灵循环系统障碍药5～25（全世界）奎宁治疗疟疾5～10（美国）致热素杀虫剂20（全世界）毛地黄心脏病药20～55（美国）第23页/共34页2023/3/724植物疫苗利用植物系统生产疫苗，是世界研究热点。全世界每年1.2×108个新生婴儿，需注射16种不同疫苗。人们设想：食用转基因植物=注射疫苗。接种方便；节约费用。第24页/共34页2023/3/7251.人类疫苗利用植物生产动物疫苗是二十世纪九十年代后发展起来的一个新研究领域。1994年美国等人将乙型肝炎病毒表面抗原基因（HBSAY）转移到烟草中，并得到表达。抗原蛋白占烟草可溶性蛋白的001%，将该蛋白提纯后给老鼠注射上，七天后老鼠体内产生了抗体。1995年将不耐热的肠毒素B亚单位（LT—B）转移到马铃薯，并得到表达。老鼠吃了转基因马铃薯，七天后产生了相应的抗体。第25页/共34页2023/3/726人类疫苗目前在植物中已获得满意结果的疫苗有：乙肝病毒疫苗、霍乱弧菌疫苗、肺结核疫苗、产肠毒素大肠杆菌疫苗、呼吸合胞病毒疫苗、狂犬病毒疫苗、涎腺病毒疫苗、轮状病毒疫苗、麻疹病毒疫苗、牙龋疫苗。第26页/共34页2023/3/727人类疫苗上述抗原基因已转化的植物有：烟草、马铃薯、胡萝卜、番茄、香蕉、莴苣、羽扁豆、菠菜、玉米等。志愿者吃了生土豆片、莴苣、番茄、香蕉等均产生了良好的免疫反应。第27页/共34页2023/3/728目前，番茄、马铃薯、莴苣和烟草等植物已被用来生产疫苗。如：诺沃克病毒疫苗，乙型肝炎的表面抗原（HBsAg）香蕉：最合适。易于转外源基因；产量很高；果实有益健康，易为世人接受。2003年3月，中国农科院生物技术中心，抗乙肝转基因番茄，具有预防乙肝作用，被称为疫苗水果。目前，正处于环境释放阶段。2004年进入市场。第28页/共34页2023/3/7292.动物疫苗1999年，Wigderovitz等人将动物口蹄疫抗原基因VP1转移到苜蓿，并在苜蓿中得到表达。该基因后又转移到白三叶草。老鼠、兔子、羊、牛等动物吃了转基因牧草后都产生了良好的免疫反应。除此之外，已将猪感性胃肠炎冠形病毒疫苗、兔出血病病毒疫苗、犬细小病毒疫苗等已转移到牧草获得成功。。第29页/共34页2023/3/730植物生物反应器前景看好目前的新领域，吸引众多公司投资。物质种类类型基因来源应用范围转基因植物脂肪

中长度脂肪酸月桂食品业、去污剂油菜不饱和脂肪酸兔食品业烟草饱和脂肪酸油菜食品业、糖果业油菜聚羟基丁酸细菌可降解塑料油菜、大豆、拟南芥糖无直链淀粉马铃薯食品业、其他工业马铃薯环化糊精细菌食品业、医药业马铃薯多聚果糖细菌食品业、其他工业烟草、马铃薯淀粉大肠杆菌食品业、其他工业马铃薯第30页/共34页2023/3/731物质种类类型基因来源应用范围转基因植物医药蛋白抗体鼠增强免疫能力烟草抗原细菌、病毒口服疫苗烟草、番茄、莴苣、马铃薯抗原病原物亚基疫苗烟草上皮生长因子人特殊细胞增殖烟草红细胞生成素人调节红细胞水平烟草生长激素鲑鱼生长调节烟草、拟南芥水蛭素人工合成凝血酶抑制剂油菜人血清蛋白人原生质扩张剂烟草、马铃薯干扰素人抗病毒萝卜第31页/共34页2023/3/732物质种类类型基因来源应用范围转基因植物工业用酶淀粉酶细菌淀粉的水解烟草、苜蓿