植物生物反應器的國內基礎

上述研究項目在立項前均已進行了ZL查新工作，所涉及的基因、植物、外源基因轉移方法和高效植物表達載體的構建等關鍵技術有自己的獨創性。從事“863”計劃和計劃以外其他國內單位和個人為此都申請了國家發明ZL，因此，這些研究成果擁有我國自主的知識產權。

通過“九五”的探索性研究，進一步縮短了我國與世界先進國家的技術差距。從表2-2中的數據可以看到，國外普遍應用的植物轉基因技術在我國已成功應用，有些技術還為我國所獨創，如花粉管通道轉基因技術。國外尚在探索的新技術，如使用植物病毒作為瞬時表達載體實現基因高效表達，我國也在探索。因此，應當說我國在利用植物生物反應器技術上已有較好的基礎。 我國現有500多家生物技術公司，但與西方發達國家相比，我國生物醫藥研究和產業化起步都比較晚。從1989年我國第一個生物工程藥物β干擾素上市到2001年底，我國現有乙肝疫苗、促紅細胞生成素（EPO）、人胰島素、人生長素、細胞集落刺激因子（CSF）等15種基因工程藥品投入市場。1997年，我國生物醫藥全年的產值達到125億元，占整個醫藥工業的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產品，銷售利潤多年來一直排在生物醫藥類產品的前三名，每年的增長率在10%以上。目前國內有十幾家公司在生產EPO，年生產能力超過了500萬支。由于受超額利潤的誘惑，已有眾多廠家介入這個市場，由于企業競爭過度，導致產品價格下降，利潤攤薄。1999年1月11日，國家新藥研究與開發協調小組在《生物醫藥工程產業行動綱要》中指出，國家和企業各方應大力培育生物醫藥工程產業，使之保持15-20%的年增長率，到2005年生物醫藥工業年總產值要達到400-500億元，到2015年總產值達到1,100-1,300億元。要達到此目標，需不斷開發新的生物醫藥產品，另外，通過研制新的表達系統，增強表達效率和降低生產成本，對提高產品銷售利潤也非常重要。 目前，利用重組DNA技術生產的大多數治療用血液蛋白幾乎都是在哺乳動物細胞表達系統中生產出來的。該系統的主要優點是所表達的重組蛋白能夠進行正確的折疊及完成其他翻譯后加工過程的機會比較高，然而，有許多因素仍然限制哺乳動物細胞表達系統的廣泛應用，這些因素包括：

1）即使在最適的培養條件下，重組蛋白在哺乳動物細胞中的表達水平仍很低，通常為每天每升數十毫克；

2）重組蛋白最后必需從培養液中分離提純出來，這會進一步導致產量損失和增加生產成本；

3）哺乳動物細胞表達系統日常維護費用非常高，這也使產品的生產成本居高不下；

4）哺乳動物細胞對外力比較敏感，而振蕩培養通常又是工業化大規模生產所不可缺少的，這就使擴大生產規模變得相當困難；

5）胎牛血清是哺乳動物細胞生長所不可缺少的，它的價格昂貴，而且不同批次之間成份相差很大，這些變化會導致細胞的生長情況不一致，進而影響到細胞發酵過程及下游的提純加工過程；

6）哺乳動物細胞對一些環境因素如溫度、pH值、含氧量和次生代謝產物的變化非常的敏感，因此需要對培養條件進行精確的監控；

7）利用哺乳動物細胞培養表達系統不能避免病原生物的污染。 親合素（Avidin）在診斷試劑中的應用十分廣泛，它是蛋清中比較豐富的一種真核生物蛋白，在常規情況下可從蛋清中直接分離純化。在轉基因玉米中生產這種蛋白并確定它是否能夠與蛋清來源的雞親合素進行商業化競爭成為研究的理由。一個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行優化，然后與大麥α-淀粉酶信號肽編碼序列融合并導入玉米染色體中表達。信號肽序列將決定重組蛋白定位在細胞的分泌系統內，而且對于成功表達十分關鍵，因為定位在分泌系統內的重組親合素僅會導致玉米部分雄性不育或完全雄性不育，相反，如果親合素在細胞質溶膠內積累的話，則因有毒性使基因工程玉米完全不能夠成活。

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

人們對生物蛋白醫藥需求的種類和數量正在不斷增加，研究人員必需開發出新的轉基因表達生產系統才能滿足這種需求，而植物最有希望承擔此項任務，如上面所提到的那樣，公斤數量的重組蛋白可以從1公頃的轉基因煙草中獲得。例如，人血清白蛋白全球每年的需求量是550噸，培育轉基因動物產生足夠量的蛋白滿足市場需求需要數年時間，然而，轉基因植物可以迅速達到如此生產規模。據估計要滿足全世界的需求，一年種植3萬公頃的煙草就足夠了（假如血清白蛋白表達量占煙草可溶性蛋白的1%），而這一面積僅占到美國總種植面積3,200萬公頃的千分之一。