植物細胞培養による物質生産一ノボ合成と変換の基礎的研究一
- 作者
- 古谷 力
- 单位
- 北里大学药学部
- 杂志
- Yakugaku Zasshi（1988）
- DOI
- 10.1248/yakushi1947.108.8_675
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用植物细胞培养技术高效生产有用次生代谢物，并通过生物转化合成复杂化合物。
研究策略
综合运用化学调控（植物激素、前体饲喂、代谢抑制剂）、物理调控（光照、温度等）、生物工程（搅拌、溶氧、固定化、毛状根转化）等策略，从de novo合成和生物转化两个角度进行物质生产研究。
核心内容
本研究系统探讨了利用植物细胞培养技术生产有用次生代谢物及进行生物转化的多种策略。研究综合运用化学调控如植物激素、前体饲喂和代谢抑制剂，物理调控如光照温度，以及生物工程手段如搅拌、溶氧控制、固定化和毛状根转化等，从从头合成和生物转化两个方向推进物质生产。在人参细胞中实现了20吨罐大规模培养，通过前体和代谢抑制剂使人参皂苷产量提高约3倍；Ri质粒转化获得的人参毛状根在B2K培养基中总皂苷含量达100.24 mg/100g鲜重。研究还首次检测到6'-脱氧查尔酮合酶活性，固定化咖啡细胞连续生产咖啡因最高达28.8 mg/flask，罂粟再分化植株吗啡含量达57.0 mg/100g干重，可待因酮经固定化细胞转化率达70.4%，茶氨酸含量最高可达干重的12%。这些结果表明植物细胞培养既能高效从头合成多种次生代谢产物，又能催化多种外源化合物的新型生物转化反应，结合固定化和毛状根等技术手段可显著提升生产效率，为药物及其他有用化合物的工业化生产提供了重要途径。
创新点
首次实现人参细胞20吨罐大规模培养；建立Ri质粒转化获得人参毛状根；首次检测到6'-脱氧查尔酮合酶活性；开发聚氨酯泡沫固定化咖啡细胞连续生产咖啡因；发现多种新型生物转化反应（如薄荷醇二糖苷、三糖苷的合成，可待因酮立体选择性还原等）。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Panax ginseng callus | 三萜皂苷生物合成（人参皂苷） | — | — | 催化 | 通过化学调控与前体饲喂使皂苷产量增加约3倍；成功进行20吨罐大规模培养 |
| Panax ginseng hairy root | 三萜皂苷生物合成 | Ri plasmid | — | 调控 | B2K培养基中生长率6.20，总皂苷100.24 mg/100g鲜重，皂苷组成接近天然人参 |
| Papaver somniferum | 吗啡烷生物碱合成 | — | — | 催化 | 未分化愈伤不含吗啡等，再分化植株（10-20 cm）含吗啡57.0 mg/100g干重 |
| Papaver somniferum (immobilized cells) | 吗啡烷生物碱转化 | — | — | 催化 | 将(-)-codeinone还原为(-)-codeine，转化率70.4%，产物90%释放到培养基 |
| Coffea arabica (immobilized cells) | 咖啡因生物合成 | — | — | 催化 | 聚氨酯泡沫固定化，培养230天，最高咖啡因28.8 mg/flask |
| Glycyrrhiza echinata | retrochalcone（echinatin）生物合成 | — | 6'-deoxychalcone synthase (DOCS) | 催化 | 首次在细胞提取物中检测到DOCS活性，催化6'-脱氧查尔酮合成，需NAD(P)H |
| Glycyrrhiza echinata | retrochalcone生物合成 | — | SAM: licodione 2'-O-methyltransferase (LMT) | 催化 | 酵母提取物诱导后LMT活性升高约3倍，催化licodione甲基化生成echinatin |
| Eucalyptus perriniana | 萜类糖基化 | — | — | 催化 | (-)-menthol主要转化为(-)-menthol β-D-gentiobioside，收率26%；(+)-menthol收率29% |
| Camellia sinensis | 茶氨酸生物合成（γ-谷氨酰化） | — | — | 催化 | 添加乙胺40 mM，茶氨酸含量可达干重的12%，占总氨基酸的80% |
| Strophanthus amboensis/intermedius/gratus | 强心苷生物转化 | — | — | 催化 | 将地高辛苷元转化为periplogenin、3-epidigitoxigenin等多种羟基化/差向异构化产物 |
| Panax ginseng hairy root | 酚酸糖基化 | — | — | 催化 | 对2-phenylpropionic acid的转化率>80%，主要生成葡萄糖酯 |
关键发现
- 通过前体和代谢抑制剂使人参皂苷产量提高约3倍
- 人参毛状根在B2K培养基中生长率6.20、总皂苷100.24 mg/100g鲜重
- 固定化咖啡细胞最高产咖啡因28.8 mg/flask
- 罂粟再分化植株（10-20 cm）吗啡含量57.0 mg/100g干重
- (-)-薄荷醇转化主产物(-)-薄荷醇β-D-龙胆二糖苷收率26%
- codeinone转化为codeine，游离细胞60.8%，固定化细胞70.4%
- 甘草细胞经酵母提取物诱导LMT活性升高约3倍
- 茶氨酸最高达干重的12%。
研究结论
植物细胞培养既能从头合成多种次生代谢产物，又能对多种外源化合物进行生物转化，结合固定化、毛状根等新技术可提高生产效率，为药物及其他有用化合物的生产提供重要途径。