生物反應器的發展階段（一）

發展階段

生物反應器（bioreactor）經歷了三個發展階段：細菌基因工程、細胞基因工程、轉基因動物生物反應器。轉基因動物生物反應器的出現之所以受到人們極大的關注，是因為它克服了前兩者的缺陷，即細菌基因工程產物往往不具備生物活性，必須經過糖基化、羥基化等一系列修飾加工后才能成為有效的藥物，而細胞基因工程又因為哺乳動物細胞的培養條件要求相當苛刻、成本太高而限制了規模生產。另外，轉基因動物生物反應器還具有產品質量高、容易提純的特點。一般把目的片段在器官或組織中表達的轉基因動物叫做動物生物反應器。幾乎任何有生命的器官、組織或其中一部分都可以經過人為馴化為生物反應器。從生產的角度考慮，生物反應器選擇的組織或器官要方便產物的獲得，例如乳腺、膀胱、血液等，由此發展了動物乳腺生物反應器、動物血液生物反應器和動物膀胱生物反應器等。其中，轉基因動物乳腺生物反應器的研究最為引人注目。

用微生物、植物、動物或人細胞，或者用專一性酶通過生物方法將原料轉化為特定產品的容器稱為生物反應器。通常微生物和細胞又涉如何維持它們的環境以提供最佳的生長條件的問題。生物反應器能通過提供合適的條件：例如最佳溫度、pH、有效的底物、營養鹽、維他命和氧（對好氧有機物）來支持這個自然過程，使細胞能進行生長和新陳代謝。生物反應器（bioreactor) 經歷了3 個發展階段細菌基因工程、細胞基因工程、轉基因動物生物反應器。細胞基因工程產物往往不具備生物活性，必須經過糖基化、羥基化等一系列修飾加工后，才能成為有效的藥物，而細胞基因工程又因為哺乳動物細胞的培養條件要求相當苛刻，成本太高，限制了規模生產。動物生物反應器具有產品質量高，容易提純的特點，彌補了其它各類基因表達系統的缺陷。

轉基因動物是指經人的有意干涉，通過實驗手段，將外源基因導入動物細胞中，穩定地整合到動物基因組中，并能遺傳給子代的動物。Palmiter等（1982）將含有小鼠金屬巰蛋白基因啟動子的DNA片斷與大鼠生長激素基因融合，用微注射的方法導入小鼠受精卵，移植給受體，產下了21 只仔鼠，6 只比同窩仔鼠生長快，10周齡時體重比同窩正常鼠大1 倍，成功地獲得了超級小鼠。這一結果引起世界轟動，轉基因動物的內在潛力由此而得以證實。隨后世界各國普遍開展了轉基因動物的研究，目前已有轉基因小鼠、豬、牛、魚、雞等多種轉基因動物問世[1]。轉基因動物的主要技術步驟包括目的基因的分離與克隆；表達載體的構建；受體細胞的獲得；基因導入；受體動物的選擇及轉基因胚胎的移植；轉基因整合表達的檢測；轉基因動物的性能觀測及轉基因表達產物的分離與純化；轉基因動物的遺傳性能研究以及性能選育；組建轉基因動物新類群

等。轉基因動物最為誘人的前景是利用它生產人類所需要的生物活性產品或藥物。目前世界上有很多公司正在致力于這方面的研究。而轉基因家畜研究最為活躍的領域就是利用它們生產新的動物產品。通常把目的基因在血液循環系統或乳腺中表達的轉基因動物稱為動物生物反應器，把家畜作為一種生物反映器，生產人類所需的藥用蛋白，包括治療用藥物、激素和抗體等。

動物血液生物反應器

近年來，動物血液生物反應器取得了很大進展。血液生物反應器比較適合生產人血紅蛋白、抗體和生產非生物學活性狀態的融合蛋白，而有活性的蛋白或多肽（如激素、細胞分裂素、組織血纖維溶酶因子等）由于進入了動物血液循環系統而影響動物的健康。到目前為止，已有多種通過轉基因動物生產的具有生物學功能的人血紅蛋白問世。

動物的乳腺生物反應器

乳腺生物反應器的原理是外源基因在乳腺特異性表達需要乳蛋白基因的一個啟動子和調控區，即引導泌乳蛋白基因表達的序列，將外源基因置于乳腺特異性調節序列之下，使之在乳腺中表達，通過回收乳汁獲得重要價值的生物活性蛋白。從目前的研究成果看，與傳統的原核系統及細胞發酵系統相比，動物乳腺生產的重組蛋白產品具有以下特點：生物活性高，無污染，純化簡單，產量高，成本低。目前，已克隆并用作構建載體的乳蛋白基因主要有-乳球蛋白（BLG）基因、s1-酪蛋白基因、-酪蛋白基因、乳清酸蛋白（WAP）以及乳清蛋白基因[2]。大多數的乳蛋白基因的啟動子已用于外源基因在轉基因動物乳腺中的表達。s1-酪蛋白基因和-乳球蛋白的啟動子尚有未知因素的作用，它們在轉基因動物中表達水平低或表達不穩定。-酪蛋白的啟動子在轉基因動物中表達水平也很低。綿羊-乳球蛋白、山羊酪蛋白和牛s1-酪蛋白啟動子在轉基因動物乳腺中維持異種蛋白的表達水平較高。如果得用目的基因的DNA序列而不是cDNA，表達效果可能會更好。不翻譯的外顯子和內含子的摻入可能有利于

轉基因的表達。值得一提的是，利用乳腺生物反應器生產的“新奇牛奶”已經問世。2003 年，Brophy 等通過共轉染和嘌呤霉素篩選向牛胎兒成纖維細胞引入-s蛋白基因和-酪蛋白基因的多量拷貝，而后進行核移植生產出了8 頭轉基因奶牛，其產奶中酪蛋白總量較普通奶高30%。這種奶的蛋白和鈣含量提高，熱穩定性增強而乳糜顆粒變小，其營養價值更高，也更適于奶酪生產[3]。

優越性

轉基因動物的問世，為利用基因工程手段獲得低成本、高活性和高表達的產物開辟了一條重要途徑。作為生物反應器的轉基因動物，主要是利用其乳腺組織和血液組織進行定位表達，特別是用乳腺組織生產具有生物活性的多肽藥物和具有特殊營養意義的蛋白質，已成為一個新興的轉基因制藥業，它的優越性有如下幾點[4]。3.1 表達產物能充分修飾且具有穩定的生物活性　利用DNA重組技術的微生物發酵工程來生產的藥用蛋白,由于細菌等微生物不能進行蛋白質合成后的加工，因而生物活性低，并且具有免疫原性，而利用轉基因動物生產藥用蛋白卻免除這些問題。

成本低可以大規模生產

作為生物反應器的轉基因動物可無限擴繁，且飼養成本低，可進行大規模的藥物生產。而動物細胞生物反應器，雖然能生產具有完全生物活性的產品，但以商業生產為目的的大規模的動物細胞培養，成本會極高且培養條件要求苛刻。

產品質量高易提純

由動物生物反應器生產的藥品為純的生物制品，避免了化學試劑及生物毒素的污染。目前，某些藥用蛋白生產已達每千克乳汁含幾十克，生物活性與天然蛋白幾乎完全一樣，極易提純。總之，動物生物反應器彌補了其它各類基因表達系統的缺陷。