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前景广阔的奶牛乳腺生物反应器


□ 李宁

  编者按:生物反应器是分子生物学与生物工程领域的专业术语,其基本原理却不难理解。小肠就是人体内部加工食物的一个复杂的生物反应器,食物经过小肠内各种酶的消化作用后即变成可以直接吸收利用的营养成分,这也正是我们吃牛肉却不会长牛肉的原因。生物工程上的生物反应器是模拟生物体功能设计出来的用于生产或检测各种化学品的反应装置,即利用酶或生物体所具有的生物功能,在体外或其他生物的器官内进行生物化学反应的装置系统,是一种生物功能模拟机,例如发酵罐等。

  奶牛乳腺生物反应器是近几年备受关注的最新科研成果,这样的高科技与我们的日常生活有关吗?它真的会影响到人类未来的生活吗?

  本刊特邀中国工程院院士、中国农业大学李宁教授介绍有关奶牛乳腺生物反应器的最新科学进展,让我们一起在文中寻找答案吧。

  动物乳腺生物反应器是上世纪九十年代继微生物发酵和哺乳动物细胞培养技术之后发展起来的最新基因工程制药和蛋白生产技术,也是生物技术领域中商业前景最广阔的高新技术之一。

  什么是动物乳腺生物反应器

  动物乳腺生物反应器是利用转基因技术在动物个体乳腺组织中生产高附加值蛋白质,或者改造动物某种营养成分使之更适于人类利用,从而使这些动物个体或某个器官发展成为一个个“蛋白质工厂”或“蛋白质生产车间”。利用该技术生产的重组蛋白不仅可开发成具有天然活性的蛋白药物,如生物抗生素、治疗性单克隆抗体、人用和动物用亚单位疫苗;还可开发成保健品、功能食品、工业用蛋白和生物材料等。目前,该领域已成为国际上生物技术研发与产业竞争的热点和前沿,同时也是发达国家政府和企业投资的重点。2001年,美、英等国的动物生物反应器公司市值已超过210亿美元,预计将在较短时间内形成年产值500亿美元的新兴生物产业。

  奶牛乳腺生物反应器

  生产重组蛋白的优势

  研发动物乳腺生物反应器最常用的动物是奶牛和奶山羊,那么奶牛作为生物反应器具有哪些优势呢?

  首先是产量高,一头优良的奶牛一年可以产奶1万千克以上,按蛋白质含量占鲜奶总重量的3 010计算,全年可产纯蛋白300多千克,即使是个体较小的绵羊一年也能生产20千克纯蛋白。因此,如果通过基因工程技术把奶牛或绵羊生产蛋白质能力的10%改变成生产医用蛋白等目标产品,那么几头牛或几十只羊的产量就可以满足全世界对某种产品的需要,如若用于生产干扰素,一头牛即可满足全中国的需求(6千克)。

  其次是成本低,转基因奶牛的饲养等成本比较低,不需要昂贵的血清等材料,因而其生产重组蛋白的成本仅为哺乳动物细胞培养系统的十分之一至百分之一。

  此外,奶牛乳腺生物反应器还能高效表达结构复杂的蛋白质。许多药用保健蛋白分子结构复杂,在细菌或低等真核生物中不能表达,而转基因奶牛不仅可以表达,而且能大规模表达(一般为1克/升以上)。因此,对于那些产品需求量大、因蛋白结构复杂而难以用其他体系表达,或对蛋白质翻译后加工要求特别严格的目标产品,用动物乳腺来进行生产具有很好的经济应用前景。

  牛奶“人乳化”研究进展

  人乳含有丰富的蛋白质、碳水化合物、脂肪和矿物质等,不仅能提供婴儿生长发育所需的各种营养物质(特别是许多蛋白质和糖基化蛋白),还能为婴儿提供免疫保护,使发育不成熟的婴儿胃肠道免受病原体的侵害,并促进有益菌(如双歧杆菌等)的生长繁殖,从而保证婴儿的健康成长。因此,母乳喂养是世界卫生组织推荐的哺乳婴儿首选方法。

  牛奶或以其为主要成分的配方乳通常作为母乳的替代品,但是人乳与牛奶的成分明显不同。虽然牛奶的蛋白质含量比人乳的高(牛奶为33克/升,而人乳仅为10克/升),但是人乳中的乳清蛋白比例更高( 680/0)。最重要的是,人类的乳清中含有大量具有抗微生物活性等免疫保护功能的蛋白质,如免疫球蛋白、乳铁蛋白、溶菌酶、α-乳清白蛋白、乳过氧化物酶以及一些岩藻糖化乳蛋白,其含量也比牛奶中的高很多。

  因此自上世纪90年代初乳腺生物反应器的研究开始以来,人们就提出了牛奶“人乳化”的概念。牛奶“人乳化”是针对牛奶品质的不足,试图通过转基因的方式将人乳的相关基因转入奶牛基因组内并使之在奶牛乳腺中表达,使牛奶中该相关基因表达产物的含量达到人乳水平,从而改造牛奶成分,使其更适于人体的营养和保健需要。为了提高人们的生活质量,生产出具有更高营养价值和保健价值的奶制品,牛奶“人乳化”的研发工作变得越来越重要。

  牛奶“人乳化”的三种途径

  表达人乳清白蛋白 人a-乳清白蛋白是人乳的重要成分,约占总蛋白含量的25%—35%,而在牛奶中仅占2%~5%。α-乳清白蛋白是乳汁中的重要营养成分,易于消化,具有平衡的氨基酸组成和极高的生物价值,是婴幼儿重要的蛋白质来源。人a-乳清白蛋白含有多种婴幼儿发育所必需的氨基酸,如色氨酸和半胱氨酸,其含量分别为6%和5%,而这两种氨基酸在牛奶中含量较低。α-乳清白蛋白可与钙、锌等多种二价阳离子结合,促进对微量元素的吸收。高含量的α-乳清白蛋白食品有利于调整睡眠节律、促进肌肉合成。研究人员最近发现,人α-乳清白蛋白的不同折叠突变体具有杀菌和诱导肿瘤细胞死亡的功能,还能与油酸形成复合物杀死皮肤的乳突淋瘤,因此相关研究具有广阔的应用前景。

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摘自:大自然 2011年第03期  
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