生物技术的发展及中药现代化应用

生物技术的发展及中药现代化应用摘要：众所周知，21世纪最具发展潜力的两大产业是信息技术（IT）和生物技术。信息技术发展迅猛，并已渗透到社会生活的各个角落。克隆羊多利的诞生，人类基因组90％测序工作的完成，使我们相信，21世纪是生物技术的时代。生物技术已经深入中药研究和开发的各个领域，在高质量中药天然药物原料的研究生产及中药材资源可持续利用中发挥着极大的作用。中药材引进和导入当今高科技的生物工程技术势必引起中药材研究和发展的一场变革。它将促使整个中药传统研究开发利用上发生一个新的突破，产生一个新的飞跃。关键词：生物技术；基因；克隆；中药现代化；应用；Abstract：Itiswellknown,the21stcenturymosthasthedevelopmentpotentialtwobigindustriesistheinformationtechnology(IT)andthebiologicaltechnology.Theinformationtechnologydevelopmentisswiftandviolent,andseepedtosociallifeeachcorner.ClonesYangDuolithebirth,humangenome90%sequenceworkcompletion,causesustobelievethatthe21stcenturyindeedisreallythebiologicaltechnologytime.Biotechnologyhasanin-depthstudyoftraditionalChinesemedicineanddevelopmentofallfieldsofmedicineinhigh-qualityrawmaterials,naturalmedicineresearchandproductionofherbalmedicinessustainableuseofresourcesplaysagreatrole.Chineseherbalmedicinesimportedintotoday'shigh-techandbio-engineeringtechnologyisboundtorisetoChineseherbalmedicineresearchanddevelopmentofarevolution.ItwillpromotethewholeoftraditionalChinesemedicineresearchanddevelopmenttookplaceontheuseofanewbreakthroughinanewleapforward.Keywords：biotechnology;gene;clone；modernizationoftraditionalchinesemedicine;application;目录1世界生物技术现状………………………………………………11．1发酵工程技术已见成效………………………………………21．2分离与纯化技术的进步………………………………………21．3新技术在生物化工中的应用…………………………………22．我国生物技术的发展…………………………………………43生物技术在中药材资源保存和生产中的应用…………………13.1生物技术在中药材资源可持续利用中的应用………………13.2生物技术在中药天然原料研究及生产中的应用……………14生物技术为中药材的质量控制提高有效方法…………………35生物技术为中药新药的研究与开发提供了新的工具和途径…45.1生物芯片为中药新药分子水平的机理研究提供依据………45.2生物转化为以天然活性成分为先导化合物发现新药提供了新的思路与方法……………………………………………………45.3生物技术为天然微量活性成分的生产提供新的技术平台…45.4生物技术实现天然结构复杂活性化合物的结构修饰………56小结与讨论………………………………………………………57参考文献…………………………………………………………6生物技术的发展及中药现代化应用生物技术药物(biotechdrugs)或称生物药物(biopharmaceutics)是集生物学、医学、药学的先进技术为一体，以组合化学、药学基因（功能抗原学、生物信息学等高技术为依托，以分子遗传学、分子生物、生物物理等基础学科的突破为后盾形成的产业。现在，世界生物制药技术的产业化已进入投资收获期，生物技术药品已应用和渗透到医药、保健食品和日化产品等各个领域，尤其在新药研究、开发、生产和改造传统制药工业中得到日益广泛的应用，生物制药产业已成为最活跃、进展最快的产业之一。1.世界生物化工行业的现状生物化工发展至今已经历了半个多世纪，最早主要是生产抗生素；随后，是为氨基酸发酵、舀体激素的生物转化、维生素的生物法生产、单细胞蛋白生产及淀粉糖生产等工业化服务。自20世纪80年代起，随着现代生物技术的兴起，生物化工又利用重组微生物、动植物细胞大规模培养等手段生产药用多肽、蛋白、疫苗、干扰素等。而且，生物化工的应用已涉及到人民生活的方方面面，包括农业生产、化轻原料生产、医药卫生、食品、环境保护、资源和能源的开发等各领域。随着生物化工上游技术——生物工程技术的进步以及化学工程、信息技术（IT）和生物信息学（bioinformatics）等学科技术的发展，生物化工将迎来又一个崭新的发展时期。1．1发酵工程技术已见成效据估计，全球发酵产品的市场有120～130亿美元，其中抗生素占46％，氨基酸占16.3％，有机酸占13．2％，酶占10％，其它占14．5％。发酵产品市场的增大与发酵技术的进步分不开。现代生物技术的进展推动了发酵工业的发展，发酵工业的收率和纯度都比过去有了极大的提高。目前世界最大的串联发酵装置已达75m＼许多公司对发酵工艺进行了调整，从而降低了生产成本。如ADM（ArcherDanie1sMid1and）和Cargill公司在20世纪90年代初对其发酵装置进行改造，将以碳水化合物为原料的生产工艺改为以玉米粉为原料，从而降低了生产成本，ADM公司生产的赖氨酸成本比原先降低了一半。1．2分离与纯化技术也有很大进步影响生化产品价格的因素，首当其冲的是分离与纯化过程，其费用通常占生产成本的50％～70％，有的甚至高达90％。分离步骤多、耗时长，往往成为制约生产的“瓶颈”。寻求经济适用的分离纯化技术，已成为生物化工领域的热点。已大规模应用的分离纯化技术有：双水相革取、新型电泳分离、大规模制备色谱、膜分离等。1．3新技术在生物化工中也得到了极大的应用比如，在超临界液体状态下进行酶反应，从而大大降低酶反应过程的传质阻力，提高酶反应速率。超临界C02无毒、不可燃、化学情性、易与反应底物分离。利用超临界CO2取代有机溶剂进行酶反应，具有极大的发展潜力。又比如，微胶羹技术已被广泛用于动物细胞的大规模培养、细胞和酶的固定化以及蛋白质等物质的分离方面。2.我国生物技术的发展现状我国生物化工行业经过长期发展，已有一定基础。特别是改革开放以后，生物化工的发展进入了一个崭新的阶段。目前生物化工产品也涉及医药、保健、农药、食品与饲料、有机酸等各个方面。3生物技术在中药材资源可持续利用及高质量中药材中的应用生产具有国际竞争力的现代中药，其前提是有高质量的中药原料。而实现一些珍贵中药资源的可持续利用也具有重要的意义。3.1生物技术在中药材资源可持续利用中的应用我国中药资源达1.2万余种，品种之多为世界上罕见。随着自然的变革、社会的发展，天地间自生自灭的中药材物种有的已经灭绝，有的面临濒危，针对中药材发展受阻的现状，若能充分利用当今一切高科技手段，致力于中药材发展的研究，特别是引进利用生物工程技术是一条有效的途径。生物工程技术不仅可以研究一些濒危紧缺中药资源的活性成分、生长规律和生产特征以及对其保存的方法，通过这些研究来保护濒危紧缺的中药资源。也可利用生物技术进行离体培养繁殖，这不仅可以保护濒危药物，且对有效成分明确的各种中药均可以进行有效成分的生物工程生产，以解决濒危物种导致短缺中药原料的资源压力，使之进入可以持续利用的发展阶段。3.2生物技术在高质量中药生产中的应用我国现在运用的中药绝大部分为人工栽培的品种，科研和临床验证告诉我们，一些人工栽培的中药材经多年繁衍其药性和有效成分就会发生变化，如栽培的柴胡、板蓝根、三七、首乌、地黄等，因种植地域的不同，其活性成分就大相径庭，严重影响疗效，这就是人工栽培中出现的问题。另外在长期的中药材种植中，难以解决的问题主要有品种种质老化、病毒寄生蔓延、种植费工费时、繁殖系数低下等。这些问题很难适应当前正在进行的开设生产基地发展药材生产的趋势。如果引进和利用生物工程中的基因工程技术和细胞工程技术，这些悬而不决的难题就可以迎刃而解。其一方面可对药用植物品种实行遗传改造，构建新型的抗逆能力强的优良品种，以增加产量、提高质量，也可用于加强对中药高产优质、多抗性品种的选择；另一方面可运用基因工程技术培育出抗病毒、抗虫害的新型中药材品种，以减少农药的施用，进一步杜绝农药和重金属的污染，保证中药使用的安全可靠，促进出口中药走进国际市场。4生物技术为中药材的质量控制提高有效方法中药材是中药研究开发的基础，基础的质量标准无法控制，以后的研究和开发均属无本之木，其质量标准的制定也就失去了意义。中药材的质量控制主要应包括两个方面的内容，一是品种的控制，主要是解决真伪的问题。其二中药材的有效物质是次生代谢产物，其积累主要与其合成关键酶的表达及表达量等有关。因此建立合理中药材的生产和质量评价体系将对中药现代化尤为重要。其中分子生物技术对分子水平上的中药质量控制有着重要的作用。由于中药成分复杂、来源不一、中药制剂药味多、工艺各异造成质量难以控制。这是制约中药走出国门的关键原因。自八十年代后发展起来的分子分类学，将生物性状从表征扩展到生物信息大分子，利用DNA、RAN、蛋白质三级信息物质，反映遗传密码传递顺序。这是物种特征的根本所在，也是中药最有价值的分类鉴定指标。另一方面利用DNA分子标记技术对中药进行质量分析和品质评价具有传统中药检测方法无法比拟的优点。目前该技术主要有两种：分子杂交和PCR扩增技术。据报道，广东某大学利用该技术已建立了冬虫夏草DNA鉴别方法，可以说准确无误。有专家预测不久将来DNA标记技术将会成为继光谱色谱后在质量标准研究领域内又一重要的常规技术方法。5生物技术为中药新药的研究和开发提供了新的工具和途径中药新药的研发是中药现代化和国际化的关键，要研制符合国际标准规范的现代中药，应用现代先进的科学技术势在必行。5.1生物芯片为中药新药分子水平的机理研究提供依据生物芯片是指能对生物分子进行快速并行处理和分析的固体薄型器件，生物芯片可以应用于中药成分的真伪鉴定、有效成分筛选及药理药效研究。其中中药鉴定基因芯片，可以对中药材的产地、质量进行鉴定；可以搞清楚中药作用的分子机理，筛选出中药有效成分。5.2生物转化为以天然活性成分为先导化合物发现新药提供了新的思路与方法生物转化技术可以弥补化学合成的不足，1997年Khmelnitsky利用盐活化生物催化剂脂酶，成功地在有机相中进行了紫杉醇系列衍生物的生物合成。由此可见，生物转化技术在以天然活性成分为基础的创新药物研究与开发中具有重要的意义。5.3生物技术为天然微量活性成分的生产提供了新的技术平台中药中微量高效成分的研制开发一直是困扰医药产业界的核心问题，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，因此大大提高微量成分的含量，使其达到产业化的要求。如研究发现多种微生物能定向地将含量较高的喜树碱转化为喜树碱。丁家宜等利用人参毛状根成功地实现了对羟基苯醌生物合成天然熊果苷。5.4生物技术实现天然结构复杂活性化合物的结构修饰天然活性成分的研发中还有一个难以解决的问题，即天然活性成分常常体内外药效学活性差异较大，其中一个重要因素是其在体内吸收不好，导致生物利用度太低。利用生物技术实现天然结构复杂活性化