關于現代生物技術在擴大中藥新藥源的運用第1頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三2概述:

中藥是中華民族的瑰寶，是我國勞動人民長期與疾病作斗爭的寶貴經驗總結，隨著生活水平的提高，人們對生命質量日趨關注，而化學合成藥物產生的不良反應越來越明顯，藥源性疾病不斷增加，回歸自然已成為必然趨勢，人們對天然藥物有了極高的重視與需求。中藥產品逐漸顯出其巨大的潛在優勢。但傳統中藥材卻面臨許多問題。第2頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三3

概述:

根據普查資料，我國共有12807種中藥材，其中動物藥有1581種，礦物藥80種，植物藥占了絕大多數，有1l146種。常用的中藥400-500種，其中80％來自野生資源，但傳統的中草藥獲取方法是以采集和消耗大量的野生植物資源為代價的，當采集和消耗量超過自然資源的再生能力時，必然會導致物種瀕危甚至滅絕。據統計資料顯示，我國平均每年都會有20％的藥材短缺。

第3頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三4為了應對目前嚴峻的中藥資源壓力,我國采取了中藥材栽培和野生撫育等多種手段,但這些不能完全解決中藥資源緊缺問題。近幾十年來，生物技術在許多領域取得了巨大的進展，已滲透到中藥的各個研究領域，在擴大中藥新藥資源研究中也發揮著重要的作用。概述:第4頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三5（一）基因工程定義:

首先克隆或合成目的基因，再按照預先的設計，將目的基因和載體重組在一起，以一定的方式導入生物體內，讓受體生物的遺傳性狀發生預期的改變，產生出人類所需要的基因產物的方法。原理:

基因重組操作水平：DNA分子水平第5頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三6第6頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三7基因工程在擴大中藥資源中的應用（1）植物次生代謝途徑的基因工程（2）轉基因生物技術第7頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三8植物次生代謝途徑的基因工程

利用次生代謝產物合成過程的關鍵酶來提高次生代謝物的產量。

傳統藥材含有的有效成分絕大部分是次生代謝產物，合成途徑非常復雜，往往有幾個或十幾個酶參與，因而找出形成特定產物的關鍵酶就成為利用基因工程技術生產傳統藥材有效成分的關鍵步驟之一。第8頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三9植物次生代謝途徑的基因工程

目前許多類型的次生代謝產物的生物合成途徑已經清楚，采用生化手段找出形成此類成分的關鍵酶，確定其基因結構，在進行克隆、表達或基因重組以提高酶活性，快速合成所需次生代謝產物。第9頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三10

植物次生代謝途徑的的應用

中國科學院植物研究所葉和春研究員課題組已克隆出青蒿素生物合成途徑中4個關鍵酶基因，構建了不同啟動子下的Cad和FPP基因已整合到青蒿發狀根和愈傷組織的基因組中，并在轉錄水平上已有表達，轉基因材料青蒿素的含量有顯著提高。第10頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三11轉基因生物技術定義：指用基因工程技術在基因水平對生物體遺傳特性進行改造的過程，因此，轉基因生物也稱為遺傳改良生物。利用轉基因生物體，人們可以獲得藥用動物、植物中的藥用活性物質，也可以獲得藥材中的蛋白和多肽活性成分等。第11頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三12轉基因生物技術的應用利用轉基因生物技術人工定向改變藥用植物的遺傳性狀，可培養出一些抗病毒、抗蟲害、抗除草劑的新型中藥。

轉基因生物技術的發展使利用轉基因動物獲得像麝香、牛黃、犀牛角等一些動物性中藥成為可能,從而大大節約資源,保護了這些瀕危的動物。第12頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三13（二）細胞工程定義:

細胞工程屬于廣義的遺傳工程,是將一種生物細胞中攜帶的全套遺傳信息的基因或染色體整個導入另一種生物細胞,從而改變細胞的遺傳性,創造新的物種或品系。第13頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三14細胞工程

植物細胞技術器官培養技術（1）植物組織培養（2）植物體細胞雜交（1）毛狀根培養系統（2）畸形芽培養系統第14頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三15植物組織培養基本思路：根據植物細胞具有全能性理論，利用植物離體的器官，如根、莖、葉、莖尖、花、果實等或組織、細胞，在適宜的人工條件下，可以再生出不定芽、不定根，最后形成完整的植株。第15頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三16離體植物細胞（外植體）胚狀體根芽愈傷組織脫分化再分化植物組織培養過程植物體優勢？繁殖速度快不受季節限制工廠化生產幼苗無毒保持優良性狀第16頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三17植物組織培養過程第17頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三18植物組織培養在擴大中藥新藥源的運用利用生物技術將藥用植物進行組織培養，建立無性繁殖體系并誘導分化為植株，應用此方法可對重要藥用植物進行品種純化和快速繁殖。第18頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三19植物組織培養在擴大中藥新藥源的運用成功的例子如丹參、枸杞、紫杉、百合等。也可以用此方法對一些珍稀瀕危藥用植物種質進行保存。第19頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三20植物體細胞雜交定義：

用兩個來自不同植物的體細胞融合成一個雜種細胞，且把雜種細胞培育成新的植物體的方法。

優勢：（與有性雜交方法比較）打破了不同種生物間的生殖隔離限制，大大擴展了可用于雜交的親本組合范圍。

第20頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三21植物體細胞雜交第21頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三22植物體細胞雜交過程

去掉細胞壁原生質體融合第22頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三23植物體細胞雜交在擴大中藥新藥源的應用雜交育種

傳統的突變育種和有性雜交育種歷時長，同時突變育種隨機性大，而采用植物體細胞雜交技術融合育種，可以克服遠緣雜交存在有性不親合現象，大大的縮短育種時間。第23頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三24植物體細胞雜交在擴大中藥新藥源的應用利用植物體細胞雜交技術將西洋參的基因轉入胡蘿卜中，使細胞內遺傳物質重新組合，得新型體細胞雜交品種。此外，此種技術在丹參、天麻等多種藥用植物中已得到運用，不僅能產生新型優良品種，并對原有品種作出超水平的突破。

第24頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三25植物器官培養技術定義：指對植物某一器官的全部或部分或器官原基進行離體培養的技術。目前主要有毛狀根培養系統和畸形芽培養系統。第25頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三26毛狀根培養系統

毛狀根是農桿菌中根誘導(root-indu-cing,

Ri)質粒的一段DNA嵌入植物基因組中并表達的結果,因此毛狀根培養又被稱為轉基因器官培養。科學家們認為親本植物能夠合成的次生代謝產物都可用毛狀根培養來生產,因而這是一條利用生物技術生產次生代謝產物的新的有效途徑。第26頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三27毛狀根培養優點:1、生長迅速毛狀根具有大量的分枝和根毛,生長快速,具有激素自養性,可用于大量培養。2、次生產物合成能力強且穩定毛狀根次生代謝物含量一般比愈傷組織和懸浮培養的細胞高,并且能夠合成某些愈傷組織和懸浮培養細胞不能合成的次生代謝物。第27頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三28毛狀根培養在擴大中藥新藥源的應用迄今已有數百種具有開發利用價值的次生產物從不同植物的發根培養物中獲得。在中國已建立毛細根培養系統的藥用植物有甘草、青蒿、人參、丹參、絞股藍等。第28頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三29畸形芽培養系統雖然轉化根可以產生許多化合物，但幾乎不能產生地上部分合成的產物；相反，分化的莖則能促進這些化合物的合成。通過根癌農桿菌感染形成的畸形芽已發展成為另一類重要的培養系統。目前已建立了煙草、顛沛、馬鈴薯、澳洲茄、薄荷等植物的畸形芽培養系統，其生長速度有的還可以超過毛狀根。第29頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三30（三）生物轉化技術目前已經知道植物細胞具有諸如酯化、氧化、還原、乙酰化、甲基化等多種生物轉化能力。在理論上，利用生物體系可以在溫和的培養條件下，實現多種結構復雜的化合物的結構改造，由此可以擴大自然界天然產物來源，也就是擴大藥用資源的來源。第30頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三31生物轉化技術定義生物轉化（biotransformation）是利用植物離體細胞或器官、動物細胞、微生物及其細胞器，以及游離酶對外源性化合物（exogenoussubstrate）進行結構修飾的生化反應。以多種不同催化功能的酶體系對中藥化學成分進行生物轉化，可產生新的天然化合物庫，再通過與藥理篩選手段相結合，可從中尋找新的高活性或低毒性的天然活性先導化合物。第31頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三32生物轉化技術在擴大中藥新藥源的運用利用定向生物轉化技術可將天然藥物中的高含量成分轉化成微量高活性成分，就可以大大提高微量成分的含量，使其達到產業化的要求。通常采用的生物轉化體系有以下幾種類型：①懸浮細胞進行的生物轉化反應；②固定化細胞進行的生物轉化反應；③植物酶制劑進行的生物轉化反應。第32頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三33懸浮細胞進行的生物轉化反應植物懸浮培養細胞進行的生物轉化反應，即在懸浮培養的細胞體系中加入適當的化合物來轉化合成目的有效成分，同時還可以通過改變培養條件等來提高有效成分含量以達到工業化的要求。

例如，毛地黃、紫蘇采用生物轉化技術的植物懸浮培養細胞后，植物產量大幅度提高。第33頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三34固定化細胞進行的生物轉化反應固定化細胞是將動植物或微生物細胞固定于合適的不溶性載體上的一種技術，它可以提高生產效率，延長生產周期，并易于細胞的分離和回收。有人利用洋地黃培養細胞特定的羥基化能力將洋地黃甙轉化為臨床上使用的強心甙甲基地高辛，使用200L發酵罐可以獲得600～700mg／L的轉化率，有望進行商業化生產。第34頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三35固定化細胞進行的生物轉化反應的優點a．提高了次生物質的合成、積累；b．能長時間保持細胞活力；C．可以反復使用；d．抗剪切能力強；e．耐受有毒前體的濃度高；f．遺傳性狀較穩定；g．后處理難度小等特點第35頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三36植物酶制劑進行的生物轉化反應培養的植物細胞對化合物的轉化實際上是細胞中存在的某些酶參與催化的生物