2017年06月19日 星期一
合成生物学技术实现珍贵药物量产
通讯员 吴惠莉 方玮
研究组成员进行实验样品检测 华南农业大学 供图

    “通过微生物发酵或直接提取而来”,目前,市场上很多药物、保健品等珍贵的天然成分都是通过这一方式大规模生产而来的。但因其工业原料来源储运受限,导致产品纯度和效率极低。

    如何安全高效且又能低成本地大量生产这些珍稀产物,成为一项棘手的问题。

    日前,华南农业大学祝钦泷助理研究员和陈乐天教授指导学生研究团队完成的“利用水稻生物反应器合成超级抗氧化类胡萝卜素”项目,在合成生物学研究领域大展了身手,解决了这一难题。

    水稻种子合成类胡萝卜素

    在水稻种子里合成类胡萝卜素?

    乍一听上去,竟像是天方夜谭。

    “没错。”陈乐天教授斩钉截铁地介绍,“就是利用合成生物学技术,于水稻中重构类胡萝卜素的合成代谢途径,以高等植物作为生物反应器合成具有超强抗氧化性的高级类胡萝卜素。”

    “实际上,这一项目的研发初衷是在对当前世界上最前沿和最具影响力的合成生物学领域的顶级国际性学术竞赛‘国际基因工程机器设计大赛’(iGEM)历年的参赛项目进行研究对比后确定的。”研究团队队长李嘉敏介绍,iGEM历年基本以微生物为研究底盘,通过基因工程技术解决特定的合成生物学问题,但由于植物研究周期长,因而还没有研究团队挑战和挖掘高等植物在合成生物学方面的优势,加之华南农大长期以来对水稻这一模式生物的研究存有优势,在实验室条件和技术方面都能够保证该实验顺利进行。

    “植物体内具有合成复杂化合物如高级萜类等的完善系统,而自然界中许多重要珍贵产物都是萜类物质,如类胡萝卜素、维生素A、维生素E等,但它们在低级的微生物细胞和动物细胞中都无法合成。”陈乐天教授指出,水稻种植面积广,易于栽培、产量大,水稻种子耐储存、易于提取,属高等植物,如果萜类物质在低级的微生物细胞和动物细胞中无法合成,那么以水稻作为生物反应器又将能否实现?

    基于创新和实用的出发点,该团队遂选择水稻作为生物反应器,开始了长达两年的项目研究。

    超级大米安全可靠更健康

    “利用水稻生物反应器合成超级抗氧化高级类胡萝卜素”,到底是什么?

    “就是在水稻里面引入合成高级类胡萝卜素的相关基因,生产出一种能合成高级类胡萝卜素的超级大米。这种大米可以用来提取大量高级类胡萝卜素,作为保健品、抗氧化剂和化妆品等。”李嘉敏很形象地解释道,“简单来说,就是将水稻作为一个生物工厂,生产出社会公众所需要的产品。”

    但是,水稻种子里合成类胡萝卜素的研制绝非一夕之功,即便有国家重点实验室这种高层次科研平台和成熟的技术体系作支撑,科学研究也不一定就能顺风顺水。在项目研究过程中,该研究团队还是遇到了不少问题。

    “在进行水稻转化的前期,我们花了相当多的时间与精力,但也还是很难得到足够的阳性转化植株。”团队成员陈君宇回忆起这一当时研究中的路障时表示,这个阻碍很大程度上拖延了项目的进展,实验曾一度陷入困境。

    为了加速转化实验,在导师的指导下,团队成员采取多个同学同时多批转化的办法,最终才快速取得突破。

    高等植物缺乏部分高级类胡萝卜素合成的关键基因,如何让高级类胡萝卜素在高等植物种子中合成并大量积累?这是植物代谢工程生物反应器的一个高难度技术问题,同样也是该项目研究的一个难点。

    天道酬勤,通过大量的基因表达分析和代谢产物测定,该研究团队欣喜地发现了代谢通路涉及的四个关键基因与产生高级类胡萝卜素之间的相关性。由于这一项目涉及植物基因工程技术,为了消除公众对抗生素筛选标记的顾虑并且使植物生物反应器更加安全,该研究团队采取了筛选标记基因删除技术,从大量的后代中进行筛选,如愿获得了标记删除的纯合体。

    “目前,我们是通过提取出超级大米中的纯高级类胡萝卜素产品来避免公众对于转基因产品的担忧。未来我们还会进行更多的工作证明我们的超级大米是安全可靠的,让它能成为安全高效的食用药物工厂。”刘嘉敏很是笃定。

    创新延展保健调理更直接

    “利用水稻生物反应器合成超级抗氧化类胡萝卜素”项目,通过代谢工程原理,引入了合成、调控及运输等相关基因,构建出植物生物反应器系统,在水稻中合成了高级类胡萝卜素;而利用这一系统和技术,还能生产其他各种天然化合物,尤其是珍稀化合物,如能抗疟疾的青蒿素、能治疗癌症的紫杉醇及具有高保健作用的人参皂苷等,从而将解决由于原料昂贵稀少而难于提取等问题。

    此外,这一项目研究的重要意义还在于,将有望降低类胡萝卜素生产的原材料成本,便于原材料储存和运输,安全解决生产效率低等工业实际问题,其产物将在抗衰老、抗击癌症,以及控制人体低密度胆固醇等方面具有广阔的应用前景。

    “这一套系统,不仅能够降低珍贵药物的生产价格,还能为生产药物提供可持续的工业原料,保护珍稀物种的过量挖掘采摘,从而避免造成生物资源的灭绝以及环境的破坏。”刘嘉敏介绍,该套系统还可以引申到其他植物中,比如水果、蔬菜等,改造现有的品种,达到更合理的营养效益,使人们在直接吃蔬菜水果的同时就能获得各种所需营养,更易达到保健调理效果。

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中国教育报