国外植物生物反应器研究概况  
 

刘德虎　　中国农业科学院生物技术研究所

　　与石油和煤炭等矿物不同，植物是一种多样化、低成本和可再生的生物资源。植物通过自身光合作用积累的各类生物大分子如碳水化合物、纤维素、蛋白质和脂肪酸等不仅为人和动物提供了赖以生存所需要的各种食物，同时还提供了大量非食用性的化工产品。而生物技术特别是在基因工程研究领域内的快速进展则使人类进一步拓宽了植物的应用范围。国外发达国家特别是美国采用植物生物反应器这种“分子农业”的方法，已经成功地生产出许多种高新生物技术产品，其中包括特殊的饱和或不饱和脂肪酸、改性淀粉、环糊精或糖醇、次生代谢产物、工农业用酶以及一些高经济附加值的药用蛋白多肽，一些研究机构和公司已经开始从这些产品生产中获得巨大的经济效益(附表1)。

　　在植物生物反应器研究中，最受人们关注和研究进展也最快的是生产各种疫苗用的抗原蛋白。病毒和细菌性传染病是威胁全球人类健康及生活质量最重要的因素之一，自古以来，人们就不断寻求各种方法对付这些传染性疾病。1778年，英国人Jenner首次发现人接种牛痘可预防天花病毒传染，在此后的时间里，疫苗已被证明是对付传染性疾病特别是病毒性传染病最为经济和有效的方法。现在，人们通过接种疫苗已完全根除了天花，并在全球范围内基本控制了脊髓灰质炎、狂犬病、破伤风、白喉、百日咳和乙型脑炎等多种病毒及细菌性传染病的发生和传播。疫苗的形式也由菌体疫苗发展到亚单位疫苗(Subunit vaccine)，甚至还产生了DNA疫苗。但需要提出的是，目前人们使用的疫苗还主要是通过微生物发酵或动物细胞组织培养获得的，需要复杂的生产设备、生产工序繁琐、生产成本较高及不易保存和运输。因此，这些疫苗在经济较不发达的发展中国家推广使用比较困难，不易被人数众多的普通人群所接受，此外有些疫苗还存在着安全性和使用不便等方面的问题。

　　1992年，美国人C.J.Arntzen和H.S.Mason率先提出了用转基因植物生产疫苗的新思路，此后，国内外多个实验室相继在烟草、马铃薯、番茄、苜蓿和莴苣中表达了乙肝表面抗原、大肠杆菌热敏毒素B亚基、霍乱毒素B亚基、诺瓦克病毒壳蛋白和狂犬病毒G蛋白等抗原，并利用在植物中表达的抗原进行了动物和人的免疫实验，获得了大量有价值的研究数据，为今后利用转基因植物生产疫苗奠定了良好基础(附表2)。

　　植物来源的重组药用蛋白第一次临床应用研究是由星球生物技术有限公司(Planet Biotechnology, Inc)报道的，该公司位于美国加利福尼亚境内。新药的名称为CaroRxTM，它是利用转基因烟草中表达的抗体sIgA生产的，主要目的是预防和治疗由细菌引起的龋齿。临床实验证实CaroRxTM可以有效清除人口腔内的变异链球菌(S.mutans)并预防志愿者口腔产生龋齿。该公司也正在设计和开发一些新的sIgA抗体，目的是为了有效预防口腔、呼吸道、消化道，生殖和尿道等粘膜系统和皮肤受到一些传染性病菌和毒性因子的感染。

　　美国著名的孟山都公司(Monsanto)已经培育出一种转基因玉米，每公顷玉米可以产生3.7公斤达到药用蛋白标准的人类抗体。假如每公顷的玉米产量可达8.6吨的话，在重组蛋白产量方面还具有相当大的改善空间。在医学部门的合作者计划每个癌症病人注射250毫克这种玉米种子来源的抗体蛋白药物。孟山都公司也正在种植一种转基因大豆，这种大豆可以生产针对单纯疱疹病毒2(HSV-2)的人源化抗体，这种抗体的动物试验表明它可以阻止HSV-2在小鼠阴道内的传播。植物来源的抗体在体外的稳定性和体内的生物活性与动物细胞培养来源的抗体是相同的。植物来源的抗体很可能允许开发出一种低成本的治疗方法来防治某些经由性传播的疾病。

　　位于美国的ProdiGene(College Station,Texas)和EPIcyte Pharmaceuticals(San Diego)公司正在形成一种策略性的联盟计划在玉米中生产抗体。它们的兴趣集中在生产某些人粘膜抗体用于被动免疫治疗，因为ProdiGene公司在蛋白表达和提取方面具有丰富的经验，而EPIcyte Pharmaceuticals公司拥有多项相关专利。

　　The Large Scale Biology Corporation(Vacaville,CA)公司和Stanford University已经合作开发一种肿瘤特异性的疫苗，可用于阻止细胞的恶性生长，它们利用植物病毒作为瞬时表达系统。研究者们利用修饰后烟草花叶病毒作为瞬时表达载体，可表达源自38C13鼠B细胞淋巴瘤的型特异的单链抗体。在重组病毒侵染本萨明那烟(N.benthamiana)后，单链抗体蛋白在细胞质外体内可以积累到很高的水平。这种抗体片段可与一种亚型特异的抗抗体反应，这表明植物产生的38C13单链抗体经过了正确的折叠，用经亲合层析纯化的38C13单链抗体免疫后的小鼠可以产生大于10ug/ml的型特异性的抗抗体。这些小鼠可以抵御致死剂量的38C13肿瘤的攻毒试验，其保护效果类似于用38C13 IgM-匙蓝蛋白偶联疫苗免疫后的结果。这种产生肿瘤特异性蛋白疫苗的病毒快速表达体系为治疗非何杰金氏淋巴瘤提供了一种可*的方法。治疗的目的是在病人体内产生特殊的抗体，它能特异性识别恶性生长的B细胞表面的特异性位点并使靶细胞最终受到破坏，而正常的细胞不会受到任何影响。

　　另外一个引起全球关注的研究成果是，瑞士联邦技术研究所的Ingo Potrykus教授及其同事在洛克菲勒基金会(The Rockefeller Foundation)和欧盟农业研究计划(European Commission's agricultural research programme)共同资助下，在2000年将水仙的八氢番茄红素合成酶和番茄红素环化酶基因导入水稻，研制出一种富含β胡罗卜素(维生素A前体)的水稻，因稻米金黄，而称为“金色大米”(品种名称T309，每克稻米含1.6µg β胡罗卜素)。发展中国家目前大约有2.5～10亿人患维生素Ａ缺乏症，正是由于此症，这些国家每年有1000～2000万儿童死亡。食用富含铁质和维生素Ａ的这种转基因水稻，将可大大减少发展中国家尤其是儿童贫血症和维生素Ａ缺乏症的发病率。该技术目前已被免费授权给菲律宾国际水稻研究所和印度的一个水稻研究中心，以期培育出适合当地种植的水稻品种，大规模种植可能会在2005年前后开始。