植物生物反應(yīng)器（植物生物反應(yīng)器）

簡(jiǎn)介

隨著新功能基因的分離、克隆以及各種農(nóng)作物高效表達(dá)技術(shù)平臺(tái)的逐步建立，在今后15至20年內(nèi)，將會(huì)有相當(dāng)數(shù)量的高新生物技術(shù)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)并與消費(fèi)者見面；這種“分子農(nóng)業(yè)”的出現(xiàn)及普及將會(huì)對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，對(duì)增強(qiáng)我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力、極大的提高農(nóng)民的收入以及維護(hù)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。同時(shí)，也有利于形成新的產(chǎn)業(yè)鏈，培育出較大的產(chǎn)業(yè)集團(tuán)。

國(guó)外研究

與石油和煤炭等礦物不同，植物是一種多樣化、低成本和可再生的生物資源。植物通過(guò)自身光合作用積累的各類生物大分子，如碳水化合物、纖維素、蛋白質(zhì)和脂肪酸等，不僅為人類和動(dòng)物提供了賴以生存所需要的各種食物，同時(shí)還提供了大量非食用性的化工產(chǎn)品。而生物技術(shù)特別是在基因工程研究領(lǐng)域內(nèi)的快速進(jìn)展則使人類進(jìn)一步拓寬了植物的應(yīng)用范圍。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家特別是美國(guó)采用植物生物反應(yīng)器這種“分子農(nóng)業(yè)”的方法，已經(jīng)成功地生產(chǎn)出多種高新生物技術(shù)產(chǎn)品，包括特殊的飽和或不飽和脂肪酸、改性淀粉、環(huán)糊精或糖醇、次生代謝產(chǎn)物、工農(nóng)業(yè)用酶以及一些高經(jīng)濟(jì)附加值的藥用蛋白多肽，一些研究機(jī)構(gòu)和公司已經(jīng)開始從這些產(chǎn)品生產(chǎn)中獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

在植物生物反應(yīng)器研究中，最受人們關(guān)注同時(shí)研究進(jìn)展也最快的是生產(chǎn)各種疫苗用的抗原蛋白。病毒和細(xì)菌性傳染病是威脅全球人類健康及生活質(zhì)量最重要的因素之一，自古以來(lái)，人們就不斷尋求各種方法對(duì)付這些傳染性疾病。1778年，英國(guó)人Jenner首次發(fā)現(xiàn)人接種牛痘可預(yù)防天花病毒傳染，在此后的時(shí)間里，疫苗已被證明是對(duì)付傳染性疾病特別是病毒性傳染病最為經(jīng)濟(jì)和有效的方法。

現(xiàn)在，人們通過(guò)接種疫苗已完全根除了天花，并在全球范圍內(nèi)基本控制了脊髓灰質(zhì)炎、狂犬病、破傷風(fēng)、白喉、百日咳和乙型腦炎等多種病毒及細(xì)菌性傳染病的發(fā)生和傳播。疫苗的形式也由菌體疫苗發(fā)展到亞單位疫苗（Subunitvaccine），甚至還產(chǎn)生了DNA疫苗。但是，目前人們使用的疫苗還主要是通過(guò)微生物發(fā)酵或動(dòng)物細(xì)胞組織培養(yǎng)獲得的，需要復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)工序繁瑣，生產(chǎn)成本較高，不易保存和運(yùn)輸，因此，這些疫苗在經(jīng)濟(jì)落后的發(fā)展中國(guó)家推廣起來(lái)比較困難，普通人群不易接受。此外，有些疫苗還存在著安全性和使用不便等方面的問(wèn)題。

1992年，美國(guó)人C.J.Arntzen和H.S.Mason率先提出了用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)疫苗的新思路。此后，國(guó)內(nèi)外多個(gè)實(shí)驗(yàn)室相繼在煙草、馬鈴薯、番茄、苜蓿和萵苣中表達(dá)了乙肝表面抗原、大腸桿菌熱敏毒素B亞基、霍亂毒素B亞基、諾瓦克病毒殼蛋白和狂犬病毒G蛋白等抗原，并利用在植物中表達(dá)的抗原進(jìn)行了動(dòng)物和人體的免疫實(shí)驗(yàn)，獲得了大量有價(jià)值的研究數(shù)據(jù)，為今后利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)疫苗奠定了良好基礎(chǔ)（見附件2）。

植物來(lái)源的重組藥用蛋白第一次臨床應(yīng)用研究是由星球生物技術(shù)有限公司（PlanetBiotechnology,Inc）報(bào)道的，該公司位于美國(guó)加利福尼亞境內(nèi)。該公司利用轉(zhuǎn)基因煙草中表達(dá)的抗體sIgA生產(chǎn)新藥CaroRxTM，主要目的是預(yù)防和治療由細(xì)菌引起的齲齒。臨床實(shí)驗(yàn)證實(shí)CaroRxTM可以有效清除人口腔內(nèi)的變異鏈球菌（S.mutans）并預(yù)防志愿者口腔產(chǎn)生齲齒。該公司也正在設(shè)計(jì)和開發(fā)一些新的sIgA抗體，用來(lái)有效預(yù)防口腔、呼吸道、消化道，生殖和尿道等粘膜系統(tǒng)和皮膚受到一些傳染性病菌和毒性因子的感染。

美國(guó)著名的孟山都公司（Monsanto）已經(jīng)培育出一種轉(zhuǎn)基因玉米，每公頃玉米可以產(chǎn)生3.7公斤達(dá)到藥用蛋白標(biāo)準(zhǔn)的人類抗體。假如每公頃的玉米產(chǎn)量可達(dá)8.6噸的話，在重組蛋白產(chǎn)量方面還具有相當(dāng)大的改善空間。臨床醫(yī)學(xué)研究者計(jì)劃向每個(gè)癌癥患者注射250毫克這種玉米種子來(lái)源的抗體蛋白藥物。孟山都公司還在種植一種轉(zhuǎn)基因大豆，這種大豆可以生產(chǎn)針對(duì)單純皰疹病毒2（HSV-2）的人源化抗體，這種抗體的動(dòng)物試驗(yàn)表明它可以阻止HSV-2在小鼠陰道內(nèi)的傳播。植物來(lái)源的抗體在體外的穩(wěn)定性和體內(nèi)的生物活性與動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)來(lái)源的抗體是相同的，利用它將開發(fā)出一種低成本的治療方法來(lái)防治某些由性傳播的疾病。

美國(guó)的ProdiGene公司和EPIcytePharmaceuticals公司正計(jì)劃開展合作，進(jìn)行玉米生產(chǎn)抗體的開發(fā)，主要是生產(chǎn)某些人粘膜抗體用于被動(dòng)免疫治療，因?yàn)镻rodiGene公司在蛋白表達(dá)和提取方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，而EPIcytePharmaceuticals公司擁有多項(xiàng)相關(guān)專利。

LargeScaleBiology公司和斯坦福大學(xué)已經(jīng)合作開發(fā)了一種腫瘤特異性疫苗，可用于阻止細(xì)胞的惡性生長(zhǎng)，它們利用植物病毒作為瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)。研究者們利用修飾后的煙草花葉病毒作為瞬時(shí)表達(dá)載體，可表達(dá)源自38C13鼠B細(xì)胞淋巴瘤的型特異的單鏈抗體。在重組病毒侵染本薩明那煙（N.benthamiana）后，單鏈抗體蛋白在細(xì)胞質(zhì)外體內(nèi)可以積累到很高的水平。這種抗體片段可與一種亞型特異的抗抗體反應(yīng)，這表明植物產(chǎn)生的38C13單鏈抗體經(jīng)過(guò)了正確的折疊，用經(jīng)親合層析純化的38C13單鏈抗體免疫后的小鼠可以產(chǎn)生大于10ug/ml的型特異性的抗抗體。這些小鼠可以抵御致死劑量的38C13腫瘤的攻毒試驗(yàn)，其保護(hù)效果類似于用38C13IgM-匙藍(lán)蛋白偶聯(lián)疫苗免疫后的結(jié)果。這種產(chǎn)生腫瘤特異性蛋白疫苗的病毒快速表達(dá)體系為治療非何杰金氏淋巴瘤提供了一種可靠的方法。治療的目的是在患者體內(nèi)產(chǎn)生特殊的抗體，它能特異性識(shí)別惡性生長(zhǎng)的B細(xì)胞表面特異性位點(diǎn)，使靶細(xì)胞最終受到破壞，而正常的細(xì)胞不會(huì)受到任何影響。

另外一個(gè)引起全球關(guān)注的研究成果是，瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所的IngoPotrykus教授及其同事在洛克菲勒基金會(huì)和歐盟農(nóng)業(yè)研究計(jì)劃（EuropeanCommissionsAgriculturalResearchProgramme）共同資助下，在2000年將水仙的八氫番茄紅素合成酶和番茄紅素環(huán)化酶基因?qū)胨荆兄瞥鲆环N富含β胡蘿卜素（維生素A前體）的水稻，品種名稱T309，每克稻米含1.6mgb胡蘿卜素，由于稻米色澤金黃，故稱為“金色大米”。發(fā)展中國(guó)家目前大約有2.5－10億人患維生素A缺乏癥，正是由于此癥，這些國(guó)家每年有1,000-2,000萬(wàn)兒童死亡。食用富含鐵質(zhì)和維生素A的這種轉(zhuǎn)基因水稻，將大大減少發(fā)展中國(guó)家兒童貧血癥和維生素A缺乏癥的發(fā)病率。該技術(shù)目前已被免費(fèi)授權(quán)給菲律賓國(guó)際水稻研究所和印度的一個(gè)水稻研究中心，以期培育出適合當(dāng)?shù)胤N植的水稻品種，大規(guī)模種植可能會(huì)在2005年前后開始。

國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)

我國(guó)植物生物反應(yīng)器的研究始于上世紀(jì)90年代初期，雖然在構(gòu)建高效植物表達(dá)載體和培育轉(zhuǎn)基因植物等主要技術(shù)環(huán)節(jié)上與國(guó)外相差無(wú)幾，但在研究的廣度和深度上與發(fā)達(dá)國(guó)家相比卻存在很大差距。幸運(yùn)的是，由于國(guó)家有關(guān)方面已意識(shí)到植物生物反應(yīng)器的重要性，所以在制訂“九五”計(jì)劃時(shí)，選擇了“利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)口服疫苗和生物可降解塑料”等4個(gè)研究課題作為探索性項(xiàng)目而予以資助（見表2-1）?！熬盼濉逼谀?，已獲得如下研究成果：

將乙型肝炎病毒包膜的蛋白基因?qū)腭R鈴薯和番茄中，獲得了高效表達(dá)該外源基因的工程植株，小鼠口服接種實(shí)驗(yàn)表明該重組抗原蛋白可誘導(dǎo)特異性的保護(hù)性抗體產(chǎn)生，已進(jìn)入臨床應(yīng)用研究的前期準(zhǔn)備階段，相關(guān)轉(zhuǎn)基因植物已進(jìn)入環(huán)境釋放階段。

已將產(chǎn)毒素大腸桿菌熱敏毒素b亞基及定居因子CS6B抗原蛋白基因?qū)腭R鈴薯中，獲得了高效表達(dá)重組抗原蛋白的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯植株，小鼠的口服接種實(shí)驗(yàn)證實(shí)可誘導(dǎo)特異性保護(hù)抗體產(chǎn)生，相關(guān)轉(zhuǎn)基因植物已進(jìn)入環(huán)境釋放階段。

獲得了口蹄疫流行株的基因文庫(kù)及我國(guó)常發(fā)生的O型口蹄疫口服疫苗VP1基因，擁有相應(yīng)的口蹄疫診斷技術(shù)和疫苗評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，已成功地利用TMV載體大量表達(dá)出與TMV外殼蛋白融合的多個(gè)口蹄疫病毒表面抗原小肽，可從100克煙草葉片中得到1-2克含口蹄疫病毒“OK1”株系抗原決定小肽（11肽和14肽）的融合蛋白。對(duì)模式動(dòng)物豚鼠進(jìn)行的免疫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些融合蛋白小肽具有良好的免疫原性，可作為預(yù)防口蹄疫的安全的新一代基因工程疫苗。

建立了農(nóng)桿菌介導(dǎo)的胡蘿卜轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，已在煙草和胡蘿卜中表達(dá)了CTB，霍亂毒素b亞單位（CTB）的表達(dá)量達(dá)到0.1%。通過(guò)在CTB基因前導(dǎo)入煙草病程相關(guān)蛋白PR1b的信號(hào)肽序列，使CTB在煙草中的合成量提高了20多倍，并通過(guò)一步親和層析法從煙葉中提純了CTB。

上述研究項(xiàng)目在立項(xiàng)前均已進(jìn)行了專利查新工作，所涉及的基因、植物、外源基因轉(zhuǎn)移方法和高效植物表達(dá)載體的構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)有自己的獨(dú)創(chuàng)性。從事“863”計(jì)劃和計(jì)劃以外其他國(guó)內(nèi)單位和個(gè)人為此都申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利，因此，這些研究成果擁有我國(guó)自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

通過(guò)“九五”的探索性研究，進(jìn)一步縮短了我國(guó)與世界先進(jìn)國(guó)家的技術(shù)差距。從表2-2中的數(shù)據(jù)可以看到，國(guó)外普遍應(yīng)用的植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)在我國(guó)已成功應(yīng)用，有些技術(shù)還為我國(guó)所獨(dú)創(chuàng)，如花粉管通道轉(zhuǎn)基因技術(shù)。國(guó)外尚在探索的新技術(shù)，如使用植物病毒作為瞬時(shí)表達(dá)載體實(shí)現(xiàn)基因高效表達(dá)，我國(guó)也在探索。因此，應(yīng)當(dāng)說(shuō)我國(guó)在利用植物生物反應(yīng)器技術(shù)上已有較好的基礎(chǔ)。

在制訂“十五”“863”計(jì)劃時(shí)，國(guó)家進(jìn)一步加大了在植物生物反應(yīng)器研究方面的投資力度。其中“利用植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)動(dòng)物口蹄疫、結(jié)核病等獸用疫苗”、“降鈣素和人乳鐵蛋白等功能蛋白植物生物反應(yīng)器的研制”、“組織和器官特異性基因表達(dá)啟動(dòng)子研究及高效表達(dá)載體構(gòu)建”、“高效轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的研究”和“外源蛋白在受體植物中高效和穩(wěn)定表達(dá)機(jī)制的研究”等課題被列為重大課題而予以了資助。這些研究在進(jìn)行當(dāng)中，到2005年前后，當(dāng)上述重大專項(xiàng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)以后，我國(guó)醫(yī)藥市場(chǎng)上將出現(xiàn)幾種用植物生物反應(yīng)器生產(chǎn)的藥物、疫苗或其他保健食品。

目前，國(guó)內(nèi)在一些植物如馬鈴薯和玉米等高效表達(dá)外源基因的技術(shù)上還不是很成熟，從植物中提取和純化表達(dá)產(chǎn)物的技術(shù)還有待改進(jìn)。許多植物病毒可在植株寄主體內(nèi)大量擴(kuò)增并表達(dá)病毒蛋白，如煙草花葉病毒感染煙草后，其外殼蛋白的含量可達(dá)煙草葉片蛋白總量的20%。此外，病毒的提取和外源蛋白的純化也比較方便，因而只要設(shè)計(jì)巧妙，就可以用植物病毒載體作為生物反應(yīng)器，大幅度提高外源基因的表達(dá)量。用病毒載體既可表達(dá)分子量較大的全長(zhǎng)外源蛋白，也可表達(dá)與病毒蛋白相融合的多肽。因?yàn)榇蟛糠植《据d體仍具有感染活性，無(wú)須經(jīng)過(guò)植物基因轉(zhuǎn)化過(guò)程即可在常規(guī)植株體內(nèi)表達(dá)外源基因，所以，用病毒作為植物生物反應(yīng)器大量生產(chǎn)外源目的蛋白具有廣闊的市場(chǎng)前景。

特別應(yīng)該指出的是，我國(guó)植物生物反應(yīng)器的研究和利用還主要集中在藥用蛋白的研究和應(yīng)用方面。而利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)特殊飽和或不飽和脂肪酸、改性淀粉、環(huán)糊精或糖醇、次生代謝產(chǎn)物、工農(nóng)業(yè)用酶制劑的研究仍然沒(méi)有引起國(guó)家足夠的重視，其實(shí)，這些生物制劑的市場(chǎng)潛力也是非?？捎^的。國(guó)內(nèi)一些有識(shí)之士早已看出了這一點(diǎn)，通過(guò)自籌資金或采用國(guó)際合作方式開展了前期研究工作，并取得了令人矚目的研究進(jìn)展，如利用轉(zhuǎn)基因玉米生產(chǎn)植酸酶，在加工成動(dòng)物飼料添加劑后，可有效降低家畜排泄物中的磷含量，這對(duì)于降低水污染和保護(hù)生態(tài)環(huán)境方面很有意義。

應(yīng)用前景

在過(guò)去15年里，生物技術(shù)工業(yè)不僅誕生了百億美元級(jí)的公司，而且也成為當(dāng)今世界商業(yè)活動(dòng)中增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一。生物技術(shù)產(chǎn)品的市場(chǎng)非常大，包括了醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、造紙業(yè)和其他許多產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從上世紀(jì)80年代至今，通過(guò)DNA重組技術(shù)所生產(chǎn)的生物醫(yī)藥年銷售額已超過(guò)100億美元。由于生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)被許多國(guó)家視為強(qiáng)勁的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)而加以重點(diǎn)扶持，生物醫(yī)藥的年銷售規(guī)模將從1996年的101億美元擴(kuò)大到2006年的320億美元，平均年增長(zhǎng)率將達(dá)12%以上，其中治療藥物年平均增長(zhǎng)16%，診斷試劑年平均增長(zhǎng)9%。

美國(guó)是現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展較早和較快的國(guó)家，1994年，美國(guó)生物技術(shù)藥品年銷售額為50多億美元，至2001年，美國(guó)生物技術(shù)產(chǎn)品在全球市場(chǎng)上的銷售額達(dá)200億美元，占到全球總市場(chǎng)的約90%以上。此外，美國(guó)還擁有世界上約一半的生物技術(shù)公司和一半的生物技術(shù)專利。迄今為止，獲得美國(guó)FDA批準(zhǔn)上市的治療類生物技術(shù)藥品共16種，另外約有400多種生物診斷試劑在臨床中應(yīng)用。

歐共體國(guó)家是世界第二大醫(yī)藥市場(chǎng)，自身對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)品的需求是巨大的，但它的生物醫(yī)藥研究滯后于美國(guó)，因此，歐共體國(guó)家正在加大對(duì)生物技術(shù)研究的投入，以提升其生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上的地位和市場(chǎng)占有份額。進(jìn)行同樣努力的國(guó)家還包括日本、加拿大和澳大利亞等一些發(fā)達(dá)國(guó)家。

我國(guó)現(xiàn)有500多家生物技術(shù)公司，但與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)生物醫(yī)藥研究和產(chǎn)業(yè)化起步都比較晚。從1989年我國(guó)第一個(gè)生物工程藥物β干擾素上市到2001年底，我國(guó)現(xiàn)有乙肝疫苗、促紅細(xì)胞生成素（EPO）、人胰島素、人生長(zhǎng)素、細(xì)胞集落刺激因子（CSF）等15種基因工程藥品投入市場(chǎng)。1997年，我國(guó)生物醫(yī)藥全年的產(chǎn)值達(dá)到125億元，占整個(gè)醫(yī)藥工業(yè)的8.9%。

以EPO為例，它目前是世界上臨床療效最顯著、銷售額最可觀的一種生物技術(shù)產(chǎn)品，銷售利潤(rùn)多年來(lái)一直排在生物醫(yī)藥類產(chǎn)品的前三名，每年的增長(zhǎng)率在10%以上。目前國(guó)內(nèi)有十幾家公司在生產(chǎn)EPO，年生產(chǎn)能力超過(guò)了500萬(wàn)支。由于受超額利潤(rùn)的誘惑，已有眾多廠家介入這個(gè)市場(chǎng)，由于企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)過(guò)度，導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格下降，利潤(rùn)攤薄。1999年1月11日，國(guó)家新藥研究與開發(fā)協(xié)調(diào)小組在《生物醫(yī)藥工程產(chǎn)業(yè)行動(dòng)綱要》中指出，國(guó)家和企業(yè)各方應(yīng)大力培育生物醫(yī)藥工程產(chǎn)業(yè)，使之保持15-20%的年增長(zhǎng)率，到2005年生物醫(yī)藥工業(yè)年總產(chǎn)值要達(dá)到400-500億元，到2015年總產(chǎn)值達(dá)到1,100-1,300億元。要達(dá)到此目標(biāo)，需不斷開發(fā)新的生物醫(yī)藥產(chǎn)品，另外，通過(guò)研制新的表達(dá)系統(tǒng)，增強(qiáng)表達(dá)效率和降低生產(chǎn)成本，對(duì)提高產(chǎn)品銷售利潤(rùn)也非常重要。

目前，利用重組DNA技術(shù)生產(chǎn)的大多數(shù)治療用血液蛋白幾乎都是在哺乳動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)中生產(chǎn)出來(lái)的。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是所表達(dá)的重組蛋白能夠進(jìn)行正確的折疊及完成其他翻譯后加工過(guò)程的機(jī)會(huì)比較高，然而，有許多因素仍然限制哺乳動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，這些因素包括：

1）即使在最適的培養(yǎng)條件下，重組蛋白在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的表達(dá)水平仍很低，通常為每天每升數(shù)十毫克；

2）重組蛋白最后必需從培養(yǎng)液中分離提純出來(lái)，這會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致產(chǎn)量損失和增加生產(chǎn)成本；

3）哺乳動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)日常維護(hù)費(fèi)用非常高，這也使產(chǎn)品的生產(chǎn)成本居高不下；

4）哺乳動(dòng)物細(xì)胞對(duì)外力比較敏感，而振蕩培養(yǎng)通常又是工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)所不可缺少的，這就使擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模變得相當(dāng)困難；

5）胎牛血清是哺乳動(dòng)物細(xì)胞生長(zhǎng)所不可缺少的，它的價(jià)格昂貴，而且不同批次之間成份相差很大，這些變化會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞的生長(zhǎng)情況不一致，進(jìn)而影響到細(xì)胞發(fā)酵過(guò)程及下游的提純加工過(guò)程；

6）哺乳動(dòng)物細(xì)胞對(duì)一些環(huán)境因素如溫度、pH值、含氧量和次生代謝產(chǎn)物的變化非常的敏感，因此需要對(duì)培養(yǎng)條件進(jìn)行精確的監(jiān)控；

7）利用哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)表達(dá)系統(tǒng)不能避免病原生物的污染。

由于存在著上述限制因素，利用植物作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)具有臨床應(yīng)用價(jià)值的藥用蛋白日益引起人們的關(guān)注。尤其是當(dāng)重組蛋白需求量比較大，供給時(shí)間又是長(zhǎng)期的話，利用植物表達(dá)系統(tǒng)很顯然是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，它除了具備其它真核生物表達(dá)系統(tǒng)共有的那些優(yōu)點(diǎn)外，還有一些是其它表達(dá)系統(tǒng)所不具備的。例如，利用植物所收獲重組蛋白的數(shù)量?jī)H僅受到植物種植面積的限制。普通的農(nóng)業(yè)措施就可以產(chǎn)生令人吃驚的生物材料，例如，采用高密度種植的煙草每公頃可以產(chǎn)生170公噸的生物材料。假定在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模所生產(chǎn)的重組蛋白水平在田間生產(chǎn)仍能夠保持的話，那么170公噸的材料中有100公噸是葉子，每公頃土地就可以產(chǎn)生50公斤的分泌型抗體IgA或100公斤的重組葡萄糖腦苷脂酶（Glucocerebrosidase）。在表4-1中，列出了一些作物每公頃的生物產(chǎn)量作為重組蛋白生產(chǎn)量的依據(jù)。

親合素（Avidin）在診斷試劑中的應(yīng)用十分廣泛，它是蛋清中比較豐富的一種真核生物蛋白，在常規(guī)情況下可從蛋清中直接分離純化。在轉(zhuǎn)基因玉米中生產(chǎn)這種蛋白并確定它是否能夠與蛋清來(lái)源的雞親合素進(jìn)行商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)成為研究的理由。一個(gè)雞親合素蛋白的編碼序列被首先按照玉米偏愛的密碼子進(jìn)行優(yōu)化，然后與大麥α-淀粉酶信號(hào)肽編碼序列融合并導(dǎo)入玉米染色體中表達(dá)。信號(hào)肽序列將決定重組蛋白定位在細(xì)胞的分泌系統(tǒng)內(nèi)，而且對(duì)于成功表達(dá)十分關(guān)鍵，因?yàn)槎ㄎ辉诜置谙到y(tǒng)內(nèi)的重組親合素僅會(huì)導(dǎo)致玉米部分雄性不育或完全雄性不育，相反，如果親合素在細(xì)胞質(zhì)溶膠內(nèi)積累的話，則因有毒性使基因工程玉米完全不能夠成活。

每公斤轉(zhuǎn)基因玉米種子可產(chǎn)230mg的親合素，據(jù)估計(jì)這種玉米來(lái)源的親合素成本約比蛋清來(lái)源的親合素低10倍。玉米親合素具有與天然蛋白相同的生物活性，現(xiàn)在成為商品公開出售（見Sigma-Aldrichproduct#A8706）。該研究結(jié)果表明：不僅是罕見的蛋白，即使在自然狀態(tài)下相對(duì)豐富的蛋白也可以利用轉(zhuǎn)基因植物以低廉的成本進(jìn)行生產(chǎn)。利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)的β-葡萄糖醛酸酶（GUS）也已經(jīng)商品化，而利用植物生產(chǎn)重組蛋白酶抑制劑Aprotinin的成本也比牛肺來(lái)源的天然蛋白要低很多?？紤]到重組抗體的天然生產(chǎn)來(lái)源不會(huì)像生產(chǎn)親合素的蛋清一樣低廉，因此利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)重組抗體所節(jié)省的資金將會(huì)更多。

人們對(duì)生物蛋白醫(yī)藥需求的種類和數(shù)量正在不斷增加，研究人員必需開發(fā)出新的轉(zhuǎn)基因表達(dá)生產(chǎn)系統(tǒng)才能滿足這種需求，而植物最有希望承擔(dān)此項(xiàng)任務(wù)，如上面所提到的那樣，公斤數(shù)量的重組蛋白可以從1公頃的轉(zhuǎn)基因煙草中獲得。例如，人血清白蛋白全球每年的需求量是550噸，培育轉(zhuǎn)基因動(dòng)物產(chǎn)生足夠量的蛋白滿足市場(chǎng)需求需要數(shù)年時(shí)間，然而，轉(zhuǎn)基因植物可以迅速達(dá)到如此生產(chǎn)規(guī)模。據(jù)估計(jì)要滿足全世界的需求，一年種植3萬(wàn)公頃的煙草就足夠了（假如血清白蛋白表達(dá)量占煙草可溶性蛋白的1%），而這一面積僅占到美國(guó)總種植面積3,200萬(wàn)公頃的千分之一。

面臨問(wèn)題

改革開放20多年以來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)在總體上得到迅速發(fā)展，農(nóng)村居民的收入水平也有了大幅度的提高。1978-2001年，扣除價(jià)格因素影響后農(nóng)村居民人均收入由133元增加到2,352元，年均增加13%。與年收入增長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，我國(guó)農(nóng)村居民的生活水平也不斷提高，農(nóng)村的貧困狀況得到明顯的減緩，貧困人口從1978年的2.5億下降到2000年的3,000萬(wàn)，年均遞減9%。在總體上，中國(guó)農(nóng)村已經(jīng)擺脫貧困，進(jìn)入溫飽有余的狀態(tài)。部分地區(qū)已經(jīng)達(dá)到小康水平，現(xiàn)在進(jìn)入全面建設(shè)小康社會(huì)時(shí)期?！熬盼濉币詠?lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展步入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，但我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)民收入的增長(zhǎng)遇到了新的瓶頸?；咎卣魇牵恨r(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力提高，農(nóng)產(chǎn)品供求實(shí)現(xiàn)了總量平衡，且豐年有余。但由于農(nóng)產(chǎn)品的需求受到制約，農(nóng)產(chǎn)品總量的擴(kuò)張已不能為農(nóng)民創(chuàng)造更多的就業(yè)機(jī)會(huì)和收入來(lái)源，農(nóng)業(yè)增產(chǎn)不增收或增產(chǎn)與增收嚴(yán)重不同步的矛盾比較突出。加入WTO后，我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品特別是種植業(yè)更是面臨發(fā)達(dá)國(guó)家價(jià)格低、質(zhì)量好的產(chǎn)品的激烈競(jìng)爭(zhēng)，農(nóng)民的處境更加艱難，因此高度重視農(nóng)業(yè)收益和農(nóng)民收入問(wèn)題，千方百計(jì)增加農(nóng)民收入是新時(shí)期我國(guó)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村工作的重點(diǎn)，也是各級(jí)政府部門和農(nóng)業(yè)科技工作者責(zé)無(wú)旁貸的任務(wù)。

近年來(lái)，種植業(yè)收入的大幅度下降主要不是農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量下降的結(jié)果。從單位面積的產(chǎn)量來(lái)看，除糧食作物在2000年減產(chǎn)外，其他主要作物均有不同程度的提高。以產(chǎn)量衡量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力在提高，但以收益衡量的生產(chǎn)率卻在不斷下降。農(nóng)業(yè)這種低效益一方面與宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境有關(guān)，另一方面也與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)不高、不適合市場(chǎng)要求有直接關(guān)系。以大豆為例，美國(guó)的轉(zhuǎn)基因大豆在出油率和價(jià)格上均優(yōu)于我國(guó)的非轉(zhuǎn)基因大豆，所以國(guó)內(nèi)食油加工業(yè)舍近求遠(yuǎn)，寧愿購(gòu)買美國(guó)的轉(zhuǎn)基因大豆，而不愿使用國(guó)產(chǎn)的非轉(zhuǎn)基因大豆。

發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、歐盟和日本等對(duì)農(nóng)民采用政府補(bǔ)貼的方式在我們國(guó)家行不通，要增加農(nóng)民的收入，除了從農(nóng)業(yè)外部做文章，全面免費(fèi)免稅，還必須想方設(shè)法增加農(nóng)民的非農(nóng)收入來(lái)源與渠道，更關(guān)鍵的是要對(duì)農(nóng)業(yè)內(nèi)部進(jìn)行戰(zhàn)略性的結(jié)構(gòu)調(diào)整與改變，這才是改變農(nóng)民地位和生活水平的根本之路。

應(yīng)對(duì)措施

為提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和農(nóng)民收入，增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)該大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整，特別是調(diào)整農(nóng)產(chǎn)品的品種與品質(zhì)結(jié)構(gòu)，在確保糧食供應(yīng)安全的前提下，將大路產(chǎn)品、低檔產(chǎn)品、普通產(chǎn)品、原料性產(chǎn)品為主的生產(chǎn)轉(zhuǎn)向增加優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品、高檔產(chǎn)品、專用產(chǎn)品、功能性產(chǎn)品和高經(jīng)濟(jì)附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)。

實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的發(fā)展戰(zhàn)略之一是國(guó)家應(yīng)從宏觀方面加強(qiáng)植物生物反應(yīng)器的研究與產(chǎn)業(yè)化步伐，今后15-20年內(nèi)，研究重點(diǎn)應(yīng)該集中在以下幾個(gè)方面：

1）發(fā)掘可供植物遺傳轉(zhuǎn)化或病毒載體表達(dá)的新藥用蛋白基因，擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。隨著人們生活水平的提高，由于膳食不均衡帶來(lái)的人類疾病如肥胖、高血脂、糖尿病和心血管疾病趨于大眾化和年輕化，如果在植物中導(dǎo)入這些疾病的抑制蛋白基因，將來(lái)人們只需簡(jiǎn)單食用這些植物或由這些植物制成的新型功能性食品及藥物，便可以獲得抗病能力。種植這些高經(jīng)濟(jì)附加值的轉(zhuǎn)基因作物可迅速帶動(dòng)農(nóng)民致富，并由此形成新的產(chǎn)業(yè)鏈。以種植馬鈴薯為例，若每畝可產(chǎn)2,000公斤，每公斤馬鈴薯1.6元計(jì)算，農(nóng)民每畝收入可達(dá)3,200元。若改種抗乙肝的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯，以每200克馬鈴薯可生產(chǎn)一劑乙肝口服疫苗，2,000公斤馬鈴薯可生產(chǎn)10,000劑乙肝口服疫苗。以每劑疫苗2元計(jì)算，則種植這樣一畝馬鈴薯每畝可收入20,000元。

2）建立高效表達(dá)技術(shù)平臺(tái)，提高外源蛋白在植物中的有效成份含量。這直接關(guān)系到將來(lái)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，不僅可以降低生產(chǎn)成本，還可使植物表達(dá)系統(tǒng)更具吸引力。要做到這一點(diǎn)，可從兩方面入手：一是篩選高效表達(dá)的植物啟動(dòng)子，二是選擇蛋白含量比較高的植物如豆科植物等。最終目的是使外源蛋白的表達(dá)量達(dá)到植物總蛋白的1%-5%左右。

3）構(gòu)建新的植物病毒表達(dá)載體系統(tǒng)，使其更易于操作、更穩(wěn)定、表達(dá)效率更高和對(duì)生態(tài)環(huán)境更安全。利用基因工程植物病毒作載體，是生產(chǎn)多種藥用蛋白的另外一條重要途徑，也是最有希望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的研究領(lǐng)域之一。如利用病毒載體在植物中生產(chǎn)狂犬病毒疫苗、結(jié)核病菌抗原、丙型肝炎和SARS病毒疫苗，其有效性和安全性都將大大提高。

4）如果純化步驟是必需的，那么如何降低從植物中提取藥用蛋白和工農(nóng)業(yè)用酶的生產(chǎn)成本則是首先要考慮的問(wèn)題。如通過(guò)修飾外源蛋白基因，將其定位于植物不同的器官或部位中表達(dá)，或采用親和層析的方法等。

6）除藥用蛋白或酶制劑外，考慮利用植物生產(chǎn)其他具有特殊用途的高新生物制劑。如改性淀粉、脂類和其他次生代謝產(chǎn)物。

爭(zhēng)取達(dá)到如下研究目標(biāo)：

1）利用植物生物反應(yīng)器技術(shù)生產(chǎn)輪狀病毒多價(jià)口服疫苗、大腸桿菌（ETEC）和霍亂弧菌口服疫苗、口蹄疫、肺結(jié)核等5-10個(gè)醫(yī)用蛋白或疫苗；預(yù)防和治療心血管疾病的新型蛋白藥物3-5種；高效表達(dá)降鈣素、乳鐵蛋白和降血壓蛋白等3-5種具有保健功能的新型保健食品；工農(nóng)業(yè)用酶5-10個(gè)；

2）獲得8-10個(gè)外源基因表達(dá)效率高、組織或器官特異性強(qiáng)并有特殊工業(yè)、環(huán)?；蜣r(nóng)用價(jià)值的轉(zhuǎn)基因植物株系或載體系統(tǒng)；

3）開展與植物生物反應(yīng)器相關(guān)的新基因、新的生物元件和新技術(shù)、新方法研究，進(jìn)入基因定點(diǎn)整合與植物生物反應(yīng)器的產(chǎn)業(yè)化相配套的關(guān)鍵技術(shù)研究，為今后的長(zhǎng)期發(fā)展奠定工作基礎(chǔ)。取得發(fā)明專利20-30項(xiàng)，獲得專利申請(qǐng)?zhí)?0-100個(gè)；

4）建立3-5個(gè)大型的產(chǎn)業(yè)化基地并形成相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)集團(tuán)。

我國(guó)在現(xiàn)階段仍是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，不可能像發(fā)達(dá)國(guó)家一樣投入巨資進(jìn)行植物生物反應(yīng)器的研究和開發(fā)，國(guó)家主要從政策上予以扶持和協(xié)調(diào)，特別是鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)大中小企業(yè)積極參與，國(guó)家也要有重點(diǎn)地選擇支持一些研究單位和課題，為此，我們提出如下建議：

1）增加不同學(xué)科，特別是醫(yī)學(xué)界和植物分子生物學(xué)界科研工作者之間的學(xué)術(shù)交流，二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)將有利于發(fā)掘新的研究課題，加快該領(lǐng)域的研究和研究成果的產(chǎn)業(yè)化步伐；

2）制訂相應(yīng)的優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)企業(yè)投資參與研究和開發(fā)；

3）在科研經(jīng)費(fèi)投入上必須慎重，對(duì)開展工作比較好和已有工作基礎(chǔ)的的研究單位和課題予以支持，切不能像過(guò)去一樣一哄而上。投入必須注重回報(bào)，獲得資助的單位和課題在結(jié)題時(shí)不能僅以論文和人才培養(yǎng)等借口搪塞，關(guān)鍵是要有直接的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因?yàn)檫@是關(guān)系到將來(lái)千百萬(wàn)農(nóng)民是否能夠真正脫貧的大問(wèn)題，因此以風(fēng)險(xiǎn)投資的形式為最好；

4）國(guó)家對(duì)課題的重視不能僅僅停留在研究階段，更重要的是關(guān)注此后的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，要給予產(chǎn)業(yè)化過(guò)程以更大的資金和政策扶持；

5）廣泛開展科普教育，提高全民文化素質(zhì)，使百姓對(duì)基因工程及其產(chǎn)品有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)。排除心理誤區(qū)，做到既不一味排斥，也不盲目迷信。否則就會(huì)像歐洲國(guó)家那樣，由于傳媒的誤導(dǎo)，使大眾對(duì)所有的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品產(chǎn)生了懼怕心理；

6）國(guó)家要在政策上予以強(qiáng)有力的支持，特別是理順各部門的關(guān)系。不能因各部門的利益，而導(dǎo)致政令不通，影響我國(guó)研究成果的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，最終導(dǎo)致國(guó)外產(chǎn)品占據(jù)國(guó)內(nèi)的絕大部分市場(chǎng)；

7）盡管植物來(lái)源的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品，如藥物蛋白被認(rèn)為是最安全的（即具有公認(rèn)的GRAS狀態(tài)），但國(guó)家應(yīng)及早制訂相應(yīng)的安全和管理法規(guī)，嚴(yán)格規(guī)范和監(jiān)督這類基因工程產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用。