作者：孙盛英 刘红蕾

生物技术是利用生物体系(个体、组织、细胞、细胞器、基因等)运用生物工程原理来生产生物产品,培育新的生物品种或提供社会服务的综合性生物科学技术,包括基因工程、细胞工程、酶工程等。现将生物技术在中药研究中的应用做一综述。
1. 基因工程技术在中药研究中的应用
基因工程是利用分子生物学和微生物遗传学的现代研究方法和手段建立起来的,其目的
是将基因转入到动植物的细胞之中,获得的转基因动植物,并使目的基因得以表达。目前农杆菌介导的转化是外源DAN进入植物细胞的最成功和应用最广泛的方法。
基因工程技术可以改变药用植物的遗传性状,从而改造其品质。如为了增强颠茄对除草剂的抗性,Saito等构建了一个嵌合载体PARK5,其中含有CaMV35S启动子控制的bar基因,用具有PARK5和Pri15834两个载体的发根农杆菌感染颠茄叶盘,获得了毛状根并分化出小植株,转基因植株及其后代显示了对除草剂phosphinothricin和bialaphos的抗性,且在转化的再生植株中含有正常的阿托品(tropane)生物碱,颠茄通过Ri质粒二元载体成功地获得了抗除草剂基因。目前国内已开始进行药用植物的遗传性状改良工作,根据实际需要培育出了一系列抗虫、抗盐、抗病、抗除草剂的新品种。
代谢途径的基因工程技术可以提高药用植物次生代谢产物的含量。大部分中药材的有效成分是次生代谢产物。我们可以在人工培养的过程中通过加入代谢中间产物、促进剂、抑制剂来增加有效成分的含量,也可以用基因工程技术对代谢过程进行调控而达到目的。日本科学家已将天仙子胺6-β羟化酶基因通过Ri质粒转移到富含天仙子胺的莨菪毛状根中,与对照品相比,莨菪胺含量增加了5倍。
2 细胞工程技术在中药研究中的应用
细胞培养包括利用生物反应器进行的,旨在促进生长和生物合成的大量培养系统,以及利用单细胞克隆技术促进细胞生长,分化直至形成完整植株的单细胞培养。利用细胞培养技术进行药用植物的生产研究已有多年的历史。
通过筛选高产细胞系、改进培养条件和技术以及设计适合植物培养细胞的发酵罐,人们已经进行了包括紫草、人参、长春花、毛地黄、黄莲和彩叶紫苏在内的多种药用植物细胞大规模生产的实验,发酵罐规模最大的已经达到75t。由紫草培养细胞提取的紫草宁已成为第一个植物培养技术的商品,以后又有人参、黄莲、扁豆、香果芒、虎刺梅等细胞培养物代谢产物商业化的报道。
中科院植物所应用细胞培养技术使新疆紫草中乙酰紫草素的含量提高了4.7倍,为保护天然紫草资源提供了重要途径。利用红豆杉细胞培养技术生产新一代抗癌药紫杉醇的研究已取得了巨大进展,紫杉醇含量提高了100多倍,达到153ｍｇ•Ｌ-1,并且已经开始进行工业化生产,如美国植物催化公司已在德国Diversa进行75ｔ发酵罐生产的实验。采用固定化植物细胞培养技术可克服细胞大量培养中的许多困难,由于包埋于惰性基质的固定化提供了适于细胞分化的条件,结果提高了次生物质产量。另外在植物细胞培养中加入诱导子(elicitor)可引起培养细胞中代谢的变化,酶活性的变化以及细胞超微结构的变化,且最终都会影响次生代谢产物的形成,也是提高次生产物产量的一条有效途径。采用细胞工程技术在无菌条件下对植物的离体组织进行培养,可以解决传统栽培工艺难以解决的药用植物的种子带病毒问题。这一技术的产生是基于植物细胞的全能性(Totipotency)。植物细胞的全能性是指植物细胞具有该植物有机体的全部遗传信息,并具有形成植物有机体所有类型细胞,直至发育成完整植株的能力。借助细胞的全能性,人们可以对从植物体上取得的外植体的活细胞加以离体繁殖,种质贮存,遗传操作,有用物质的生产等各种各样的利用。利用植物体内病毒分布均一的原理,在植物体内病毒含量最少的生长锥中取样,再培育出小苗,改变植物的病毒含量,以此改善由于病毒引起的中药品质退化的问题。另外,采用细胞融合技术可得到有用的新的杂交药用植物,通过杂交株的培养,可得到集合多种功能的中药材新品种。
3 酶工程技术在中药研究中的应用
药用植物的有效成分大多是属于植物次生代谢产物。次生代谢产物生物合成途径非常复杂,往往有多种酶参与,因而找到形成特定产物的关键酶就成为利用生物技术生产中药有效成分的关键。Ｈｅｉｄｅ等在辽宁紫草的细胞培养中,研究了与紫草宁生物合成相关的酶类,初步确定了紫草宁生物合成的关键酶是对羟基苯甲酸—牦牛儿基转移酶(Ｐ—hydroxybenzoate　
getanytransferase）。
将关键酶的基因转移到细菌或真菌细胞中,并使其表达,则可直接通过培养细菌或真菌而有效地产生次生产物。Okada等分离出了某种黄莲细胞中的编码(Ｓ)—四氢小檗碱氧化酶的基因,并进行序列分析,克隆到质粒ＰTVB2,转化到大肠杆菌ＤH5-a中。在培养的大肠杆菌的上清液中,检测到了该酶活性,并进行了此酶的纯化。
吲哚生物碱合成过程的关键酶异胡豆苷合成酶(sss),它催化次番木鳖苷和色胺缩合反应生成异胡豆苷。来源于植物的sss基因已在Ｅ.coli、昆虫培养细胞及植物中表达。最近报道让色氨酸脱羟酶(TDC)和sss cDNA转入烟草培养细胞,虽然转基因细胞中ＴDC活性无明显改变,但sss活性提高了2～3倍。此外,在萜类化合物(如倍半萜合成酶和二萜合成酶)和苯丙基类化合物(如查耳酮合成酶)的基因工程研究也取得了一定的进展。
4 其它分子生物技术在中药研究中的应用
ＤNA指纹技术的建立是植物资源学研究方法的重大突破,为药用植物种质资源的分类与鉴定开辟了一条新途径。如RAPD(随机扩增多态性DNA)技术是由Williams和Welsh于1990年在PCR技术上发展起来的。该技术简单,快速,不需预先知道目的基因的碱基顺序,仅用少量的材料即可直接比较不同种遗传物质ＤNA的细微差别,分析种质资源的遗传多样性,获得丰富的遗传信息。目前RAPD技术用于人参、西洋参、细辛、龙胆草、蒲公英、溪黄草等的鉴定已获得成功。同时,DNA指纹技术也能为寻找新的药用资源提供线索,根据亲缘关系相近的植物类群具有相似的化学成分的规律,通过准确确立植物间的亲缘关系,有目地在某些类群中寻找新成分,新药源。
此外,采用生物技术研究中药进入体内后的代谢过程,由此了解中药在体内的变化以及所形成的各种化学成分,对于解释某些中药的作用机制具有十分重要的意义。
总之,生物技术是当今世界生命科学领域中最活跃和最具前途的新技术,虽然在中药中的应用刚刚起步,但为中药的研究和开发提供了难得的机遇和方法,应用前景非常广阔。



来源:安徽医药 2002年第4期