合成生物學技術實現珍貴藥物量產

「通過微生物發酵或直接提取而來」，目前，市場上很多藥物、保健品等珍貴的天然成分都是通過這一方式大規模生產而來的。但因其工業原料來源儲運受限，導致產品純度和效率極低。

如何安全高效且又能低成本地大量生產這些珍稀產物，成為一項棘手的問題。

日前，華南農業大學祝欽瀧助理研究員和陳樂天教授指導學生研究團隊完成的「利用水稻生物反應器合成超級抗氧化類胡蘿蔔素」項目，在合成生物學研究領域大展了身手，解決了這一難題。

水稻種子合成類胡蘿蔔素

在水稻種子里合成類胡蘿蔔素？

乍一聽上去，竟像是天方夜譚。

「沒錯。」陳樂天教授斬釘截鐵地介紹，「就是利用合成生物學技術，於水稻中重構類胡蘿蔔素的合成代謝途徑，以高等植物作為生物反應器合成具有超強抗氧化性的高級類胡蘿蔔素。」

「實際上，這一項目的研發初衷是在對當前世界上最前沿和最具影響力的合成生物學領域的頂級國際性學術競賽『國際基因工程機器設計大賽』（iGEM）歷年的參賽項目進行研究對比後確定的。」研究團隊隊長李嘉敏介紹，iGEM歷年基本以微生物為研究底盤，通過基因工程技術解決特定的合成生物學問題，但由於植物研究周期長，因而還沒有研究團隊挑戰和挖掘高等植物在合成生物學方面的優勢，加之華南農大長期以來對水稻這一模式生物的研究存有優勢，在實驗室條件和技術方面都能夠保證該實驗順利進行。

「植物體內具有合成複雜化合物如高級萜類等的完善系統，而自然界中許多重要珍貴產物都是萜類物質，如類胡蘿蔔素、維生素A、維生素E等，但它們在低級的微生物細胞和動物細胞中都無法合成。」陳樂天教授指出，水稻種植面積廣，易於栽培、產量大，水稻種子耐儲存、易於提取，屬高等植物，如果萜類物質在低級的微生物細胞和動物細胞中無法合成，那麼以水稻作為生物反應器又將能否實現？

基於創新和實用的出發點，該團隊遂選擇水稻作為生物反應器，開始了長達兩年的項目研究。

超級大米安全可靠更健康

「利用水稻生物反應器合成超級抗氧化高級類胡蘿蔔素」，到底是什麼？

「就是在水稻裡面引入合成高級類胡蘿蔔素的相關基因，生產出一種能合成高級類胡蘿蔔素的超級大米。這種大米可以用來提取大量高級類胡蘿蔔素，作為保健品、抗氧化劑和化妝品等。」李嘉敏很形象地解釋道，「簡單來說，就是將水稻作為一個生物工廠，生產出社會公眾所需要的產品。」

但是，水稻種子里合成類胡蘿蔔素的研製絕非一夕之功，即便有國家重點實驗室這種高層次科研平台和成熟的技術體系作支撐，科學研究也不一定就能順風順水。在項目研究過程中，該研究團隊還是遇到了不少問題。

「在進行水稻轉化的前期，我們花了相當多的時間與精力，但也還是很難得到足夠的陽性轉化植株。」團隊成員陳君宇回憶起這一當時研究中的路障時表示，這個阻礙很大程度上拖延了項目的進展，實驗曾一度陷入困境。

為了加速轉化實驗，在導師的指導下，團隊成員採取多個同學同時多批轉化的辦法，最終才快速取得突破。

高等植物缺乏部分高級類胡蘿蔔素合成的關鍵基因，如何讓高級類胡蘿蔔素在高等植物種子中合成並大量積累？這是植物代謝工程生物反應器的一個高難度技術問題，同樣也是該項目研究的一個難點。

天道酬勤，通過大量的基因表達分析和代謝產物測定，該研究團隊欣喜地發現了代謝通路涉及的四個關鍵基因與產生高級類胡蘿蔔素之間的相關性。由於這一項目涉及植物基因工程技術，為了消除公眾對抗生素篩選標記的顧慮並且使植物生物反應器更加安全，該研究團隊採取了篩選標記基因刪除技術，從大量的後代中進行篩選，如願獲得了標記刪除的純合體。

「目前，我們是通過提取出超級大米中的純高級類胡蘿蔔素產品來避免公眾對於轉基因產品的擔憂。未來我們還會進行更多的工作證明我們的超級大米是安全可靠的，讓它能成為安全高效的食用藥物工廠。」劉嘉敏很是篤定。

創新延展保健調理更直接

「利用水稻生物反應器合成超級抗氧化類胡蘿蔔素」項目，通過代謝工程原理，引入了合成、調控及運輸等相關基因，構建出植物生物反應器系統，在水稻中合成了高級類胡蘿蔔素；而利用這一系統和技術，還能生產其他各種天然化合物，尤其是珍稀化合物，如能抗瘧疾的青蒿素、能治療癌症的紫杉醇及具有高保健作用的人蔘皂苷等，從而將解決由於原料昂貴稀少而難於提取等問題。

此外，這一項目研究的重要意義還在於，將有望降低類胡蘿蔔素生產的原材料成本，便於原材料儲存和運輸，安全解決生產效率低等工業實際問題，其產物將在抗衰老、抗擊癌症，以及控制人體低密度膽固醇等方面具有廣闊的應用前景。

「這一套系統，不僅能夠降低珍貴藥物的生產價格，還能為生產藥物提供可持續的工業原料，保護珍稀物種的過量挖掘採摘，從而避免造成生物資源的滅絕以及環境的破壞。」劉嘉敏介紹，該套系統還可以引申到其他植物中，比如水果、蔬菜等，改造現有的品種，達到更合理的營養效益，使人們在直接吃蔬菜水果的同時就能獲得各種所需營養，更易達到保健調理效果。

《中國教育報》2017年06月19日第7版

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