中药生物技术-绪论部分

中药生物技术山东农业大学药用植物研究室宋振巧李兴锋电子邮件：szq@sdau.edu.cn 假设你在泰山上发现一株长得很繁茂的穿山龙，HPLC发现其有效成分含量很高。你想尽快繁殖，扩大群体！可是其繁殖系数比较低，生长周期比较长，怎么办？或者移栽后发现此株穿山龙已经染上病毒病，怎么办？ 红豆杉紫杉醇抑制癌细胞有丝分裂1999年，国际市场的紫杉醇价格上涨。最高时曾卖到2000美元1克。但是剥去树皮后，红豆杉死亡红豆杉数量急剧减少 怎么办？怎样既可生产提取有效成份，又保护珍稀药用植物资源？怎样可以有效的保存和利用珍稀濒危药用植物？ 蒲公英土公英：地胆草，一点红，苦荬菜，毛大丁草，山莴苣，苦苣菜在药品收购过程中，如何进行区分真伪品？中药鉴别（来源、性状、显微、理化）不能奏效时，怎么办？ 丸散膏丹，神仙难辩？中药材复方制剂、粉剂中的各种生药外观性状完全破坏，难以鉴定某种药的存在。有没有可能鉴定？六味地黄丸是否真的有地黄？ 中药生物技术第一章概论第二章药用植物组织培养技术第三章药用植物细胞培养第四章药用植物基因工程第五章分子标记在药用植物研究中的应用实验：药用植物组织培养细胞悬浮培养毛状根培养DNA提取及PCR扩增，电泳 学时分配讲课16？实验20？考试闭卷考试 参考教材中草药生物技术唐克轩复旦大学出版社，200572.00药用植物生物技术，薛建平，中国科学技术大学出版社，200535.00中药生物技术，余伯阳中国医药科技出版社，2005中药生物技术，贾景明，化学工业出版社，2008 参考书中药无公害栽培加工与转基因工程学徐良中国医药科技出版社，2000现代中药植物资源生产技术赵永华傅建国张立萍化学工业出版社，2004现代生物技术方法在中药现代化中的应用于荣敏，赵昱中国医药科技出版社，2005药用植物大规模组织培养高文远，贾伟化学工业出版社，2005药用植物组织培养技术许继宏中国农业科学技术出版社，2003现代生物技术导论瞿礼嘉、顾红雅高等教育出版社2002植物生物技术张献龙，唐克轩，科学出版社2004 第一章绪论第一节中药生物技术及其研究内容第二节中药生物技术的发展过程第三节中药生物技术面临的挑战和前景 第一节中药生物技术及其研究内容一.中药生物技术：利用现代生物技术手段，对中草药细胞、组织、个体进行改造，以加快繁殖速度、提高产量、改良品质和抗性的技术。 传统中药包括矿物药、动物药和植物药3部分。矿物药的生物技术，仅有人工养殖珍珠。动物药的生物技术研究也较少，人工养殖，仅有水蛭、蚯蚓研究达到蛋白质水平。中药生物技术主要还是植物药的研究上，即药用植物的生物技术。 药用植物：指在一定社会和经济条件下，被人们认识和利用的植物资源中对人体疾患具有治疗作用，以及具有杀虫、杀菌等功效的各类植物总称。植物药 我国是植物资源最丰富的国家之一，迄今已发现了3万多种高等植物，其数量仅次于巴西和哥伦比亚。在我国的这些资源中，50%以上是我国特有种，现已发现11000多种药用植物，其种类和数量之大均居世界首位。这为我们研制新的天然药物奠定了良好的资源基础。同时也为中药生物技术的发展和应用提供了丰富的研究内容。 传统的生物技术是指旧有的制造酱、醋、酒、面包、奶酪、酸奶及其他食品的传统工艺；现代生物技术则是指70年代末80年代初发展起来的，以现代生物学研究成果为基础，以基因工程为核心的新兴学科。当前所称的生物技术基本上都是指现代生物技术。二.生物技术（biotechnology） 生物技术也称生物工程（bioengineering），指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。包括细胞工程、发酵工程、酶和蛋白质工程、基因工程。 在农业中已育成多种抗病、抗虫、高产的农作物新品种，在西药中利用转基因微生物生产干扰素、胰岛素、生长因子等几十种新药物和疫苗，在环保中培育成能降解工业污染物的微生物，在食品工业中利用发酵技术生产酶、氨基酸、维生素制品。 三、中药生物技术的产生背景为什么要在中药中利用生物技术？中药的“古老性”和“复杂性”使得我国中药生产加工总体上仍处于与现代科学技术严重脱节状态。 近年来人们对中药的需求量越来越大而传统中草药的获得方法是以采集和消耗大量的野生资源为代价的。蕴藏量有限物种濒危、灭绝自然生态环境日益恶化，进一步导致药用植物资源的匮乏。在已出版的《中国植物红皮书》第一卷中共收载了388种国产珍稀濒危野生植物，如人参、天麻、黄连、黄芪、杜仲、厚朴、巴戟天、贝母、肉苁蓉等均位列其中。 人工栽培是解决问题的办法之一。《药材生产管理规范》(GAP)但是人工栽培品种又面临着品种混乱、品质退化、农药污染、种子带病、活性成分的种类和数量存在差异等问题，严重影响了对药材品质的保证和控制。 有些名贵药材生产周期长，常规方法育种育苗花费很长时间。人参黄连有些药用植物繁殖系数小，耗种量大，发展速度慢且成本高。贝母番红花有些药用植物病毒危害导致种性退化，影响产量品质。地黄太子参 细胞工程发酵工程酶和蛋白质工程基因工程分子标记技术药用植物的遗传学研究，基因克隆等等其它生命科学研究热点（基因组，蛋白质组，生物芯片、RNA干扰）四、中药生物技术的研究内容 以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖，或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种，加速繁育药用植物个体，或获得某种有用的物质的过程。将植物体的某一部分经无菌处理后置于人工培养基中，使其组织或细胞增殖进而按照需要进行培养的技术。理论基础：细胞全能性1.细胞工程（cellengineering） 组织培养技术保存中药生物资源分生组织、愈伤组织培养(用于快繁、再生、体细胞无性系变异、遗传转化）大规模细胞培养（用于次生代谢物生产、人工种子）原生质体培养（用于体细胞杂交、遗传转化）转化器官的扩增研究（用于毛状根、冠瘿组织培养）花药或小孢子培养（用于单倍体育种）研究内容： 植物细胞培养不受环境、生态和气候条件限制，生长比整体植株快，次生代谢物质的含量是自然植株的数倍甚至数千倍。如人参皂苷在组织培养中含量占干重的27%，全株中只有4．5％；紫草素在细胞培养物中占12％，而全株只有1．5％。 利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，利用微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品，或直接将微生物应用于工业生产的技术，有时也称微生物工程。主要包括：药用菌类植物的发酵生产有效成分，或利用微生物培养的原理和方法大规模培养药用植物细胞生产药用成分。2.发酵工程(fermentationengineering) 传统名贵中药冬虫夏草、灵芝等菌类药材具有多种药理作用，如调节免疫、抗衰老、抗肿瘤等，药材昂贵。在保健品及功能食品开发上备受青睐。采用发酵技术，给于适当条件培养这些菌类植物，然后从发酵产物中提取活性成分，可以达到快速、大规模生产的目的。目前，我国冬虫夏草、灵芝、云芝、喉头等药用真菌的发酵产品已经投放市场。 利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。包括：人工酶催化，对药用植物药效成份进行修饰，提高药物品质；改进中草药制剂过程。3.酶和蛋白质工程（enzymeandproteinengineering）发现多种微生物能定向地将含量较高的喜树碱转化成10—羧基喜树碱。 利用基因工程转基因技术，将某些优良性状基因导入本不具备这些性状的中药材体内，可起到改良品种的目的。如抗病、抗虫、抗冷冻、耐贫瘠、高产等基因的导入，可获得抗病虫、高品质的中药材植株；导入控制植物次生代谢产物合成酶的关键合成基因，可培育成有效药用成分含量高的药材品种。4.基因工程（geneengineering）核心是转基因技术 （1）有关代谢途径的基因工程研究（2）有关转基因植物反应器构建的研究（3）药用植物抗性基因工程研究 5.分子标记技术电泳后能以一定的方法检测到，可以反映基因组某种变异特征的DNA片段，是建立在DNA的多态性基础之上的，可识别等位基因。 目前，分子标记技术已广泛地用于生物多样性的分析、种质资源分类演化、遗传图谱的构建、基因的分离测序、作物品种及纯度的鉴定、杂交育种。中药材道地性鉴定 6.其它生物技术的应用蛋白质组对红豆杉细胞培养生产紫杉醇相关的蛋白质图谱和灰黄链霉菌产生新型抗生素相关的蛋白质图谱进行了研究，发现了一些功能蛋白质。生物芯片人类基因组计划提供的基因和蛋白质数据库足以设计并制备此类芯片，用疾病相关的芯片在细胞或整体动物模型中去筛选中药的有效成分或部位，从而优化中药的配方和组成。特异基因或蛋白质的表达促进或抑制的变化，可能是中药作用的潜在分子靶点。 五、中药生物技术的优点药用植物与大田作物相比，有何自身的特点？收获部位不同有效成份 与传统生产方式相比，应用生物技术进行传统药材生产具有明显的优点：(1)药材(或有效成分)的生产可以在人为控制条件下进行，通过操作培养条件和培养方式极大地提高生产率。(2)培养是在无菌条件下进行的，因此可以排除病菌和虫害的侵扰，严格控制药材质量。(3)可以进行特定的生物转化反应，大规模生产我们需要的有效成分。(4)通过对有效成分合成路线进行遗传操纵，提高所需物质的产量。(5)通过加入或删除基因而改变加药材的遗传特性。 第二节中药生物技术的发展过程1、二十世纪六十年代中国科学院上海植物生理研究所罗士韦教授进行人参组织培养。1983，全国第一次药用植物组织培养讨论会上，全国约有30多个单位，100余人从事中药的组织培养研究。代表性的研究成果：广西药物所的罗汉果快速繁殖，山东大学生物系与荷泽地区中药材试验站的怀地黄去病毒研究，中国药科大学人参工业化生产的中间试验。 我国第一本有关专著“植物组织和细胞培养”也由中国科学院上海植物生理研究所细胞室编译出版(1978年)，这对我国中药生物技术的研究起到很大的推动作用。 2.1983年起我国中药生物技术的研究进入一个发展期，全国从事中药组织和细胞培养的研究单位和人员比1983年增加近一倍。特点：更多的单位进行悬浮细胞培养的研究，特别是大规模培养技术的探索，以求尽快将这一技术推向工业化生产。代表性研究成果：中国科学院植物研究所和化学冶金研究所的紫草大规模培养，华中理工大学的红豆杉大规模培养，上海中医药大学的黄芪毛状根大规模培养。 1986年我国第一本与中药生物技术有关的专著“药用植物组织培养”问世，对我国有关研究起到一定的促进作用。 3.二十世纪九十年代我国中药生物技术研究进入了一个新的时期。特点：开始进行中药生物技术更新内容的探索，如分子标记、基因工程、发酵工程。最近的蛋白质组、生物芯片在药物开发上。据不完全统计，我国已成功地建立了人参、三七、天麻、贝母等400多种药用植物的组织培养体系。 一些植物的细胞培养已达到商业化生产应用，如在植物细胞培养反应器的规模已达4000～20000L，美国Phyto公司已达到了75000L紫杉醇的生产规模。除大规模细胞培养之外，毛状根和不定根组织培养也非常成功。 已在甘草、丹参、黄芪、青蒿、红豆杉等多种植物药材中建立了农杆菌介导的遗传转化，一些相关的关键基因已克隆。在红豆杉中的20余步紫杉醇生物合成过程中，已有8个功能基因被克隆；水蛭素Ⅲ、黄芪中糖苷转移酶基因等也被克隆。通过基因工程操作，使这些基因过度表达，就有望增加有效成分的含量。 中药无公害栽培加工与转基因工程学徐良中国医药科技出版社，2000现代中药植物资源生产技术赵永华傅建国张立萍化学工业出版社，2004现代生物技术方法在中药现代化中的应用于荣敏，赵昱中国医药科技出版社，2005药用植物大规模组织培养高文远，贾伟化学工业出版社，2005药用植物组织培养技术许继宏中国农业科学技术出版社，2003 第三节中药生物技术面临的挑战和发展前景问题与机遇并存。 一、生物技术在中药领域应用中存在的问题1.生物技术在中药中的应用还十分局限。除在细胞工程和发酵工程方面有一定进展外，基因工程刚刚起步，酶工程和蛋白质工程尚未涉及。因此，进一步加强生物技术在中药基础和应用中的研究十分重要。 2.由于生物技术在中药领域的应用研究刚刚起步，因此既熟悉中药学知识，又掌握生物学技术的人才极其缺乏。 3.企业和研究机构在生物技术在中药领域的应用研究方法，缺乏有力的资金支持。作为新生事物，消费人群对中药生物技术产品缺乏了解，接受力差，导致了好不容易研制出的中药生物技术产品难以在社会上推广，制约了中药生物技术产品的研究开发。 紫草细胞培养物是用人工方法进行生产，好像符合中药新药第一类第一条，即中药材的人工制成品，但其最初的细胞种子仍由天然植物而来，与人工牛黄、人工麝香不同。生产技术虽然运用了人工发酵技术，与新药第一类第二条的“新发现的中药材”中对新菌类药材生产运用的技术规定一样，但又不属于新的菌类，而是天然植物细胞。研究人员准备使用的原料是用有机溶剂或超临界方法得到的总提取物，符合中药新药第二类第二条对有效部位的规定，但该规定的有效部位是以天然药物等为对象的，没有包括植物细胞。 二、前景传统中医药的优势和特色与现代生物技术相结合，必将有利于推动中医药现代化和国际化的进程。生物技术在建立药用动、植物基因库，保存药材品种，中药的绿色栽培，紧缺天然活性成分的转化生产，微量成分的转化增量，紧缺药材资源的二次利用，发现新的活性先导化合物，鉴定中药材，中医药药理模型的建立，中药加工、制剂工艺改造等方面均有广泛的应用前景。 (1)中医药基础研究将更加借助于生命科学技术手段。(2)生物技术将使原始的中药农业步入现代经济农业产业的轨道。(3)细胞和酶工程技术将使部分名贵、濒危、难于繁殖的中药材和天然活性成分的生产从原始的、毁灭性的采挖式农业过渡到工业化。(4)生物技术将深入到中药新药研制的各个环节。 今后的研究方向应集中在价值大且濒危的药用植物。对次生代谢产物的产生进行调控。一些重要中药化学成分的生物转化。生物技术的应用，将有望彻底改变传统药用生产和加工技术。 别人在利用生物技术做什么？通过别人正在研究的项目 中药研究相关项目 中药研究相关项目 中药研究相关项目山东省攻关项目：以省级中药现代化科技产业示范园为基地，开展野生与栽培药材的资源调查、种质保藏技术研究，利用细胞融合技术、克隆技术、组培脱毒快繁技术，选育中药材优良品种。 本章重点中药生物技术概念主要研究内容 课间休息！！