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何为玉米生物反应器?它能作甚?
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植物生物反应器是指通过生物技术,以整个植物体或植物的某个器官为反应器生产外源重组蛋白或活性物质,这些蛋白和活性物质具有高附加值,用于工业或医疗保健。这样的生产体系即称为植物生物反应器。
其优点在于可以大规模化生产、成本低和安全性高。
国内外常用的植物生物反应器有油料作物(大豆、红花、油菜)、粮食作物(水稻、小麦、玉米)。
其中,以玉米籽粒生物反应器优点最为突出:
具有相对高的单产以及相对低的生产成本(Giddingsetal.,2000);
成熟玉米籽粒含水量低、蛋白酶活性低,有利于外源蛋白的积累,同时含有丰富的分子伴侣和二硫键异构酶,从而有利于外源蛋白的正确折叠(Müntz,1998);
玉米籽粒大,有利于在紧促的生物量中积累较高浓度外源蛋白。另外,籽粒的蛋白组相对简单,且不利于纯化的物质(如酚化物、生物碱),含量较低,便于下游纯化工艺或直接使用;
外源蛋白在种子中积累不影响营养组织的生长;
玉米雌穗外面有多层苞叶保护,从而避免了籽粒的洒落,并降低了微生物的污染;
玉米籽粒生产的蛋白在种子贮藏过程中非常稳定。据报道,破碎的或片状化的玉米籽粒储存在-10~3℃,3个月后,其中的重组蛋白活性没有损失,室温保存6年的玉米种子中重组抗体蛋白依然保持活性(Hoodetal.,1997;Stogeretal.,2002)。
玉米生物反应器的应用与前景
以玉米商业化生产的第一个外源医用蛋白是鸡亲和素(Chickenavidin)(Hoodetal.,1997),随后各种外源蛋白均在玉米中成功生产如β-葡萄糖醛酸酶(β-Glucuronidase)(Witcheretal.,1998)、抑蛋白酶肽(Aprotinin)(Zhongetal.,1999)、人乳铁蛋白(Humanlactoferrin)(Samyn-Petitetal.,2001)、疫苗大肠杆菌不耐热肠毒素B亚基LTB(Chikwambaetal.,2002)、传染性胃肠炎病毒疫苗TGVE(Streatfieldetal.,2001)、在印染业具有重要作用的漆酶(Laccase)(Hood,2002)、胰蛋白酶(Trypsin)(Woodardetal.,2003)、胃脂肪酶(Gastriclipase)(Zhongetal.,2006)、纤维素酶(Cellulase)(Hoodetal.,2007)、人脯氨酰羟化酶(Humanprolyl4-hydroxylase)(Xuetal.,2011)、乙型肝炎表面抗原(HBsAg)(Haydenetal.,2012)、纤维二糖水解酶(CellobiohydrolaseII)(Devaiahetal.,2013)。
中国农业科学院生物技术所建立了玉米籽粒生物反应器技术平台,该平台可以在玉米籽粒中实现高附加值的蛋白高效生产。
考虑到我国是玉米生产大国,也是饲料大国,玉米籽粒生物反应器在我国饲料酶生产方面具有巨大空间。
生物技术研究所与饲料研究所利用该反应器技术合作研发了葡聚糖酶(Glucanase)(Zhangetal.,2014)、甘露聚糖酶(Mannanase)(Xuetal.,2013)和植酸酶(Phytase)(Chenetal.,2013)玉米生物反应器生产技术体系。玉米生物反应器避免了人类或动物来源的病菌污染,该生产体系在安全性方面更有保障。
我国目前的玉米生物反应器的研究水平与技术储备已经可以满足商业化的需求,将开创饲料用酶商业化生产的新途径。
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