现代生物技术在扩大中药新药源的运用

现代生物技术在扩大中药新药源的运用2目录概述现代生物技术⑴基因工程⑵细胞工程⑶生物转化技术小结3概述:中药是中华民族的瑰宝，是我国劳动人民长期与疾病作斗争的宝贵经验总结，随着生活水平的提高，人们对生命质量日趋关注，而化学合成药物产生的不良反应越来越明显，药源性疾病不断增加，回归自然已成为必然趋势，人们对天然药物有了极高的重视与需求。中药产品逐渐显出其巨大的潜在优势。但传统中药材却面临许多问题。4概述:根据普查资料，我国共有12807种中药材，其中动物药有1581种，矿物药80种，植物药占了绝大多数，有1l146种。常用的中药400-500种，其中80％来自野生资源，但传统的中草药获取方法是以采集和消耗大量的野生植物资源为代价的，当采集和消耗量超过自然资源的再生能力时，必然会导致物种濒危甚至灭绝。据统计资料显示，我国平均每年都会有20％的药材短缺。5为了应对目前严峻的中药资源压力,我国采取了中药材栽培和野生抚育等多种手段,但这些不能完全解决中药资源紧缺问题。近几十年来，生物技术在许多领域取得了巨大的进展，已渗透到中药的各个研究领域，在扩大中药新药资源研究中也发挥着重要的作用。概述:6（一）基因工程定义:首先克隆或合成目的基因，再按照预先的设计，将目的基因和载体重组在一起，以一定的方式导入生物体内，让受体生物的遗传性状发生预期的改变，产生出人类所需要的基因产物的方法。原理:基因重组操作水平：DNA分子水平78基因工程在扩大中药资源中的应用（1）植物次生代谢途径的基因工程（2）转基因生物技术9植物次生代谢途径的基因工程利用次生代谢产物合成过程的关键酶来提高次生代谢物的产量。传统药材含有的有效成分绝大部分是次生代谢产物，合成途径非常复杂，往往有几个或十几个酶参与，因而找出形成特定产物的关键酶就成为利用基因工程技术生产传统药材有效成分的关键步骤之一。10植物次生代谢途径的基因工程目前许多类型的次生代谢产物的生物合成途径已经清楚，采用生化手段找出形成此类成分的关键酶，确定其基因结构，在进行克隆、表达或基因重组以提高酶活性，快速合成所需次生代谢产物。11植物次生代谢途径的的应用中国科学院植物研究所叶和春研究员课题组已克隆出青蒿素生物合成途径中4个关键酶基因，构建了不同启动子下的Cad和FPP基因已整合到青蒿发状根和愈伤组织的基因组中，并在转录水平上已有表达，转基因材料青蒿素的含量有显著提高。12转基因生物技术定义：指用基因工程技术在基因水平对生物体遗传特性进行改造的过程，因此，转基因生物也称为遗传改良生物。利用转基因生物体，人们可以获得药用动物、植物中的药用活性物质，也可以获得药材中的蛋白和多肽活性成分等。13转基因生物技术的应用利用转基因生物技术人工定向改变药用植物的遗传性状，可培养出一些抗病毒、抗虫害、抗除草剂的新型中药。转基因生物技术的发展使利用转基因动物获得像麝香、牛黄、犀牛角等一些动物性中药成为可能,从而大大节约资源,保护了这些濒危的动物。14（二）细胞工程定义:细胞工程属于广义的遗传工程,是将一种生物细胞中携带的全套遗传信息的基因或染色体整个导入另一种生物细胞,从而改变细胞的遗传性,创造新的物种或品系。15细胞工程植物细胞技术器官培养技术（1）植物组织培养（2）植物体细胞杂交（1）毛状根培养系统（2）畸形芽培养系统16植物组织培养基本思路：根据植物细胞具有全能性理论，利用植物离体的器官，如根、茎、叶、茎尖、花、果实等或组织、细胞，在适宜的人工条件下，可以再生出不定芽、不定根，最后形成完整的植株。17离体植物细胞（外植体）胚状体根芽愈伤组织脱分化再分化植物组织培养过程植物体优势？繁殖速度快不受季节限制工厂化生产幼苗无毒保持优良性状18植物组织培养过程19植物组织培养在扩大中药新药源的运用利用生物技术将药用植物进行组织培养，建立无性繁殖体系并诱导分化为植株，应用此方法可对重要药用植物进行品种纯化和快速繁殖。20植物组织培养在扩大中药新药源的运用成功的例子如丹参、枸杞、紫杉、百合等。也可以用此方法对一些珍稀濒危药用植物种质进行保存。21植物体细胞杂交定义：用两个来自不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，且把杂种细胞培育成新的植物体的方法。优势：（与有性杂交方法比较）打破了不同种生物间的生殖隔离限制，大大扩展了可用于杂交的亲本组合范围。22植物体细胞杂交23植物体细胞杂交过程去掉细胞壁原生质体融合24植物体细胞杂交在扩大中药新药源的应用杂交育种传统的突变育种和有性杂交育种历时长，同时突变育种随机性大，而采用植物体细胞杂交技术融合育种，可以克服远缘杂交存在有性不亲合现象，大大的缩短育种时间。25植物体细胞杂交在扩大中药新药源的应用利用植物体细胞杂交技术将西洋参的基因转入胡萝卜中，使细胞内遗传物质重新组合，得新型体细胞杂交品种。此外，此种技术在丹参、天麻等多种药用植物中已得到运用，不仅能产生新型优良品种，并对原有品种作出超水平的突破。26植物器官培养技术定义：指对植物某一器官的全部或部分或器官原基进行离体培养的技术。目前主要有毛状根培养系统和畸形芽培养系统。27毛状根培养系统毛状根是农杆菌中根诱导(root-indu-cing,Ri)质粒的一段DNA嵌入植物基因组中并表达的结果,因此毛状根培养又被称为转基因器官培养。科学家们认为亲本植物能够合成的次生代谢产物都可用毛状根培养来生产,因而这是一条利用生物技术生产次生代谢产物的新的有效途径。28毛状根培养优点:1、生长迅速毛状根具有大量的分枝和根毛,生长快速,具有激素自养性,可用于大量培养。2、次生产物合成能力强且稳定毛状根次生代谢物含量一般比愈伤组织和悬浮培养的细胞高,并且能够合成某些愈伤组织和悬浮培养细胞不能合成的次生代谢物。29毛状根培养在扩大中药新药源的应用迄今已有数百种具有开发利用价值的次生产物从不同植物的发根培养物中获得。在中国已建立毛细根培养系统的药用植物有甘草、青蒿、人参、丹参、绞股蓝等。30畸形芽培养系统虽然转化根可以产生许多化合物，但几乎不能产生地上部分合成的产物；相反，分化的茎则能促进这些化合物的合成。通过根癌农杆菌感染形成的畸形芽已发展成为另一类重要的培养系统。目前已建立了烟草、颠沛、马铃薯、澳洲茄、薄荷等植物的畸形芽培养系统，其生长速度有的还可以超过毛状根。31（三）生物转化技术目前已经知道植物细胞具有诸如酯化、氧化、还原、乙酰化、甲基化等多种生物转化能力。在理论上，利用生物体系可以在温和的培养条件下，实现多种结构复杂的化合物的结构改造，由此可以扩大自然界天然产物来源，也就是扩大药用资源的来源。32生物转化技术定义生物转化（biotransformation）是利用植物离体细胞或器官、动物细胞、微生物及其细胞器，以及游离酶对外源性化合物（exogenoussubstrate）进行结构修饰的生化反应。以多种不同催化功能的酶体系对中药化学成分进行生物转化，可产生新的天然化合物库，再通过与药理筛选手段相结合，可从中寻找新的高活性或低毒性的天然活性先导化合物。33生物转化技术在扩大中药新药源的运用利用定向生物转化技术可将天然药物中的高含量成分转化成微量高活性成分，就可以大大提高微量成分的含量，使其达到产业化的要求。通常采用的生物转化体系有以下几种类型：①悬浮细胞进行的生物转化反应；②固定化细胞进行的生物转化反应；③植物酶制剂进行的生物转化反应。34悬浮细胞进行的生物转化反应植物悬浮培养细胞进行的生物转化反应，即在悬浮培养的细胞体系中加入适当的化合物来转化合成目的有效成分，同时还可以通过改变培养条件等来提高有效成分含量以达到工业化的要求。例如，毛地黄、紫苏采用生物转化技术的植物悬浮培养细胞后，植物产量大幅度提高。35固定化细胞进行的生物转化反应固定化细胞是将动植物或微生物细胞固定于合适的不溶性载体上的一种技术，它可以提高生产效率，延长生产周期，并易于细胞的分离和回收。有人利用洋地黄培养细胞特定的羟基化能力将洋地黄甙转化为临床上使用的强心甙甲基地高辛，使用200L发酵罐可以获得600～700mg／L的转化率，有望进行商业化生产。36固定化细胞进行的生物转化反应的优点a．提高了次生物质的合成、积累；b．能长时间保持细胞活力；C．可以反复使用；d．抗剪切能力强；e．耐受有毒前体的浓度高；f．遗传性状较稳定；g．后处理难度小等特点37植物酶制剂进行的生物转化反应培养的植物细胞对化合物的转化实际上是细胞中存在的某些酶参与催化的生物化学反应。因此，直接应用植物酶制剂也可实现高效的生物转化。38小结现代生物技术基因工程原理：基因重组技术应用植物次生代谢途径转基因细胞工程植物细胞工程原理：细胞的全能性技术应用组织培养体细胞杂交器官培养技术（离体无性繁殖）毛细根培养畸形芽培养生物转化技术：获得高活性或低毒的产品39小结随着现代生物技术的迅猛发展,针对中药药用资源研究中存在的问题,运用基因工程、细胞工程等多种生物技术和现代分子生物学技术,不仅可以使部分名贵、濒危、难于繁殖的药材从原始的、毁灭性的采挖式农业过渡到工业化生产,而且也使原始的中药农业步入现代经济农业产业的轨道,为中药资源可持续开发利用提供保证。