第一章現代生物技術在生物活性物質開發中的應用 主要內容一 應用生物技術的必要性二 生物技術研究的主要內容及優越性 一 應用生物技術的必要性 1 生物技術 是以生命科學 生物化學和細胞生物學 為基礎 利用生物 或生物組織 細胞或其他組成部分 的特性和功能 設計 構建具有預期性能的新物質或新品系 以及與工程原理相結合 加工生產產品或提供服務的綜合性技術 2 必要性 人類對自然資源的過度開發 使自然資源日漸匱乏 可耕作的土地面積和可再生資源日益減少 比如紫杉醇對腫瘤有很好的療效 但是由于人們對自然紫杉樹的過度砍伐 使得這種具有特殊藥用價值的資源有被滅絕的危險 大規模的工業化生產對環境和生態帶來嚴重的甚至是不可逆轉的破壞 為了解決這些問題 應用生物技術獲取有用的次生代謝產物來滿足人們的需求是非常必要的 二 生物技術研究的主要內容及優越性 1 主要研究內容 基于植物細胞的全能性 借鑒微生物發酵工業的成就和經驗 通過高等植物細胞 器官等的大規模培養 生產有用的次生代謝產物 比如華中理工大學對紅豆杉細胞的大規模培養來獲得紫杉醇 中國藥科大學對人參細胞培養來獲得人參皂苷等 利用分子生物學手段對藥用植物進行遺傳操作 獲得轉基因植物或轉基因組織和器官 如懷特等人培育的轉基因綿羊 羊奶中含有抗胰蛋白酶 或者旨在尋找一些次生代謝產物生物合成途徑中的關鍵酶基因 進而對這些次生代謝產物的生物合成過程進行調控或將這些關鍵酶基因轉入微生物中生產人們所需要的次生代謝產物 應用分子生物學技術進行了藥用植物分子標記育種與品質定向調控的研究 2 優越性 操作培養條件和培養方式 極大地提高生產率 也就是對培養條件進行優化 提高有用次生代謝產物的含量 培養是在無菌條件下進行的 可以排除病蟲害的侵擾 嚴格控制藥材質量 可以進行特定的生物轉化反應 大規模地生產所需要的有效成分 生物轉化就是利用植物懸浮培養細胞或器官中的一些酶對外源化學成分進行結構改造的一門技術 以期得到活性更好 毒性更小或價值更大的先導化合物 通過對有效成分生物合成路線進行遺傳操縱 提高所需物質的產量 通過加入或刪除基因而改變原藥材的遺傳特性 2 1藥材的分子鑒定 一 植物藥的分子生物學鑒定二 動物藥的分子鑒定 一 藥用植物基因庫的建立二 生物技術與藥用植物優良品種的選育三 藥用植物關鍵酶基因與代謝途徑 2 2生物活性物質的基因工程 基因工程又稱基因拼接技術和DNA重組技術 是以分子遺傳學為理論基礎 以分子生物學和微生物學的現代方法為手段 將不同來源的基因 按預先設計的藍圖 在體外構建雜種DNA分子 然后導入活細胞 以改變生物原有的遺傳特征 獲得新品種 生產新產品 2 3生物活性物質的細胞工程 一 動物細胞培養在藥物開發中的應用二 藥用植物細胞組織和器官培養 2 3 1動物細胞培養在藥物開發中的應用 細胞工程 是細胞水平和亞細胞水平的生物工程 是用生物體或其組分 組織或器官 在最適宜條件下生產有益產物或進行有效過程的技術 通過細胞工程可以快速 高效地生產高價值的生物產品或培養有價值的細胞株 并可以產生新的物種或品系 細胞工程包括細胞培養 細胞融合 細胞拆合 核移植 染色體操作及基因轉移 細胞大規模培養快速繁殖技術 例如 克隆羊 多莉 就是利用核移植技術培育出來的 主要應用于藥物的篩選 有三種模型 2 3 2發酵工程技術在藥用植物資源開發中的應用 一 藥用植物發酵培養工業化的意義二 多領域的合作 發酵工程指采用工程技術手段 利用生物 主要是微生物 和有活性的離體酶的某些功能 為人類生產有用的生物產品 或直接用微生物參與控制某些工業生產過程的一門技術 比如 釀酒 制造奶酪和酸奶 是利用發酵技術的典型例子 發酵工程經歷了 農產品手工加工 近代發酵工程 現代發酵工程 三個發展階段 現代發酵工程是一個由多學科交叉 融合而成的技術性和應用性較強的開放性學科 發酵工程技術中的關鍵設備是生物反應器 生物反應器是指在體外模擬生物體的功能 設計出來用于生產和檢測各種化學品的反應裝置 或者說 生物反應器是利用酶或生物體 如微生物 所具有的生物功能 在體外進行生化反應的裝置系統 是一種生物功能模擬機 比如 人的胃就是一個天然的生物反應器 工程上用的生物反應器有發酵罐 固定化酶或固定化細胞反應器等 2 3 2 1 藥用植物發酵培養工業化的意義 1 有助于解決耕地減少的問題 中藥材的來源主要是依靠野生資源和大田種植 而我國是一個人均可耕地面積較少的國家 大量的土地用于種植藥材 占用了糧食生產用地 2 有助于解決 老參地 問題 老參地 指種植過一茬人參的土地 由于人參不能連作 種過一茬后的土地要放置一段時間甚至幾十年才能再種植 為了開辟新的土地資源 大量的山林被砍伐 造成水土和植物多樣性的流失 2 3 2 2 多領域的合作 現代生物技術是一門多學科 多領域交叉 滲透技術 只有不同領域科學家的通力合作 才能取得較大的成果 而這些正是我國生物技術研究領域所欠缺的 正如書中所言 一個生物學家能把細胞養活 一個工程學家能把培養規模放大 一個藥學家能分析培養的活性成分并開發產品 三者結合起來 才能真正實現藥用植物組織培養的產業化 現代生物技術在生物資源開發應用中的前景 中國藥用植物資源豐富 但如果在使用這些資源時只進行掠奪性開采和浪費使用 不僅會造成資源枯竭 還會出現生態被破壞和環境日益惡化的嚴重后果 保護藥用植物資源 防止物種滅絕 是一個涉及宣傳 教育 立法 科學研究 行政管理 經濟貿易等方面的復雜問題 但利用生物技術方法 如組織培養 基因工程等建立種質保存基因庫 保存遺傳資源也是一種非常有效的方法 現代生物技術在生物資源開發應用中的前景 利用生物技術從生物資源中發現新的活性成分 新的單體 對有效成分的合成路線進行遺傳操作 可提高所需的次生代謝產物含量 開發出具有中國自己特色的新型藥物 特別是在具獨特療效的溶栓