英國研究者用轉基因植物生成ω3脂肪酸

ω- 3脂肪酸一般來自于魚油

　　自從上世紀七十年代，科學家發現生活在格陵蘭島的愛斯基摩人很少患心血管疾病開始，人們對ω-3脂肪酸的研究開始逐步深入。ω-3脂肪酸被稱為人體健康的守護神，多項研究表明，ω-3脂肪酸具有抗炎癥、抗血栓形成、降低血脂、預防抑郁、甚至抗癌的特性。但ω-3脂肪酸不能在人體內自身合成，必須從食物中獲得。而富含ω-3脂肪酸的食物主要以魚類為主，來源有限。近日，英國一項新研究有望解決這一問題。英國洛桑研究所(Rothamsted Research)的研究人員通過轉基因的手段，讓油料作物亞麻薺成功生成品質可與魚油相媲美的ω-3脂肪酸，為彌補魚油資源的不足提供了一種有效的替代方法。

　　ω-3脂肪酸及其作用簡介

　　ω-3脂肪酸(omega-3 fatty acids)是一類脂肪酸，其成份為來源于魚類動物的二十碳五烯酸(Eicosapen taenoic acid，簡稱EPA，含5個不飽和鍵)和二十二碳六烯酸(Docosahexaenoic acid，簡稱DHA，含6個不飽和鍵)，二者含不飽和鍵較多，有較強的調整血脂作用，可用于治療高脂蛋白血癥、動脈粥樣硬化、冠心病等。

　　ω- 3脂肪酸具有降血壓和降低膽固醇的功能，特別是魚油的ω-3脂肪酸效果更好，因為魚油能使甘油三酯降低20%-50%。ω-3脂肪酸能夠保護心血管健康，降低心血管疾病發病率和死亡率，心臟病后的患者如果適當補充ω-3脂肪酸，能減少再度發病的風險。每周吃魚一至兩次能顯著降低患中風的危險，也是與其中含有ω-3脂肪酸有關。

　　ω-3脂肪酸對于類風濕性關節炎也有作用，科學家經過大量研究發現，ω-3脂肪酸能使關節僵硬和關節疼痛癥狀得到緩解，還能促進抗炎藥物的療效。

　　ω- 3脂肪酸具有擴張血管及抗血栓形成作用，作用機制被認為：(1)促進中性或酸性膽固醇自糞排出，抑制肝內脂質及脂蛋白合成，能降低血漿中膽固醇、甘油三酯、LDL(低密度脂蛋白)、VLDL(超級低密度脂蛋白)，增加HDL(高密度脂蛋白);(2)參與花生四烯酸(Eicosatetraeonic acid)代謝，生成前列腺素類化合物PGI3及TXA3。花生四烯酸的代謝物為前列環素(PGI2)和血栓素(TXA2);PGI2可舒張血管及抗血小板聚集、防止血栓形成;TXA2則可使血管痙攣、促進血小板聚集和血栓形成。PGI3的作用與PGI2相同;但TXA3卻不具TXA2的作用。因此EPA 和DHA具有舒張血管、抗血小板聚集和抗血栓作用。

　　另外，ω-3脂肪酸還具有抗癌作用，ω-3脂肪酸能夠增加一些抗癌藥物的細胞毒性。在幾種結腸癌細胞系中，ω-3脂肪酸聯合5-氟尿嘧啶可以增加其抑制生長的作用。有研究表明，EPA和DHA可以增加腫瘤對放射治療的敏感性，減少放療導致的黏膜和上皮損傷。體內試驗還證實，ω-3脂肪酸與ω-6脂肪酸相比有更顯著的抑癌優勢。通過羧化酶Ⅱ下調EPA的合成可以減少腫瘤血管生成、炎癥以及腫瘤轉移。ω-3脂肪酸可以與化療或放療產生協同作用，從而通過增加氧化應激來殺死腫瘤細胞。

　　除此之外ω-3脂肪酸對于預防抑郁、骨質疏松，促進胎兒健康發育等方面也具有良好的效果。在此就不再贅述，一一列舉。

　　ω-3脂肪酸來源局限性

　　盡管ω-3脂肪酸對健康有益，但是其來源主要是以魚類為主，包括海產的野生魚類和人工養殖的魚類，由于資源單一，而且受地域限制的局限性，供需矛盾日趨凸現。

　　部分陸生植物含有α-亞麻酸(Alpha Linolenic Acid，簡稱ALA) ，可以在人體內轉化為ω-3脂肪酸，但是它們也有幾個問題存在：

　　陸生植物的ALA主要存在于核桃、亞麻籽油和紫蘇油中，其它如大豆油，巴馬火麻油，蘇子油，小麥胚芽油、卡諾拉油、菜籽油、橄欖油等其中ALA含量一般較低。

　　雖然某些陸生植物果實中含有一定量的ALA，但是這些食物熱量很高，不可過量食用。

　　對于ALA應用來說，不是ALA純度越高越好，一般作為預防和輔助治療，其含量最好在75%左右即可，這是因為經過分離富集的脂肪酸中含有亞油酸，ALA與亞油酸的比例應維持在4~5∶1。過分純凈的ALA大部分用于臨床醫學，作為一種特殊需要的藥物使用，而未經提純的一般油脂，由于其飽和脂肪酸和重金屬的含量較高，不應作為補充ALA的來源。

　　植物來源的ω- 3脂肪酸(如亞麻籽)并不生產EPA和DHA;相反,它們生產一些短鏈的ω-3脂肪酸如ALA。ALA與EPA和DHA有關，但是還混在一起否對健康有益尚有爭議。

　　動物來源的ω-3脂肪酸主要是魚類攝取藻類光合生物之后，在自己體內積累于魚油之中，而陸生食物中的ω-3脂肪酸不僅含量少，加工過程或者受其他添加劑的影響會使僅有的少量ω-3脂肪酸遭到破壞，即使食用也難以達到足以防病治病的有效濃度。

　　這就是為什么魚油資源供不應求的原因所在。任何開發新型魚油替代源已經迫在眉睫，而且引起科學家的高度關注，轉基因可以為此助一臂之力。

　　轉基因亞麻薺直接形成ω-3脂肪酸

　　據《科學家》(The Scientist)雜志網站2014年1月3日報道，英國洛桑研究所(Rothamsted Research，由英國生物技術與生物科學研究委員會(BBSRC)創辦)生物化學和作物保護研究室的科學家，確定了一組亞麻薺(Camelina sativa)調控合成其籽油料中ω-3脂肪酸的基因，通過轉基因亞麻薺來直接實現ω-3脂肪酸的生物合成已經獲得成功。相關研究發表在2013年12月 6日的《植物學報》(The Plant Journal)上。下圖就是亞麻薺(Camelina sativa)苗、花、果實的形態照片。

　　目前，研究人員已經培育出一種轉基因植物，這種植物可以生產ω-3長鏈多不飽和脂肪酸,其中碳原子數大于或者等于20，此類ω-3脂肪酸簡稱為ω-3 LC-PUFAs,此類脂肪酸對于正常代謝是至關重要的。

　　在論文中，研究人員描述了在亞麻薺(Camelina sativa)籽油料中調節ω-3脂肪酸合成的一組基因。隨著這些基因的直接表達,轉基因亞麻薺(transgenic Camelina sativa)產生ω-3脂肪酸水平可以與魚油相比美,這種轉基因油料作物代表了一種可持續的、陸地可以生長的ω-3脂肪酸來源,不失為一種彌補魚油資源的不足有效替代源。

　　合作者Olga Sayanova博士在2013年11月中旬發表的一份聲明中談到，我們不得不徹底弄明白植物種子中的油品合成的基本過程，其目的就在于在搞清楚基本原理的基礎上，重建亞麻薺屬植物種子中EPA和DHA的合成。洛桑研究所的科學家已經通過轉基因技術使亞麻薺(Camelina sativa)籽油料中可以產生12%的EPA和14%的DHA，其含量非常類似于魚油中發現的EPA和DHA含量。ω-3 LC-PUFAs對健康有益的是EPA和DHA。它們既可以調節代謝和免疫過程，而且對于心血管疾病康復和神經發育有益。

　　Olga Sayanova博士就轉基因亞麻薺這項研究工作談到，他們是將一種富含ALA的植物作為研究的起點,進行重建目的就在于使其生產含有較高比例EPA和 DHA的ω-3油品。確定了海藻和其他海洋生物光合作用產生對于人體健康有益的油類所需的必要的基因，然后將其組裝在一起并引入亞麻薺屬植物。在首例試驗中，他們引入了五個基因，得到的亞麻薺籽油中EPA的平均含量為24%。然后他們又引入了七個基因，在這種情況下亞麻薺籽油中DHA和EPA的平均含量分別為8%和11%。當然研究人員已經通過轉基因使亞麻薺籽油中DHA和EPA的百分比分別達到14%和12%。轉基因植物亞麻薺籽油中DHA和EPA的平均累積含量可以與魚油中DHA和EPA的含量相比擬，使轉基因亞麻薺可以直接產生在陸生植物油中包含DHA和EPA特別少，甚至不含有DHA和EPA的自然現象徹底得到改觀。

　　洛桑研究所此項目的首席科學家Johnathan Napier教授認為：“此結果使人感到非常興奮,我們已經想方設法在培育一種植物，使其可以成為一種陸生植物，但是又可持續性的提供類似于魚油的油品資源，這一成就可以使人們實現健康夢，而又不會對環境造成危害，真可謂具有一箭雙雕之功效。科學的偉大之處就在于當人們真正認識和掌握了其中的奧妙之后，利用其造福于人類就會變得輕而易舉。”

　　延伸閱讀：利用硅藻積累EPA和DHA

　　除了用轉基因亞麻薺直接形成ω-3脂肪酸外，洛桑研究所研究人員還嘗試從藻類入手，利用硅藻積累EPA和DHA。

　　硅藻是一類種類繁多的低等植物，約1.1萬余種。在海洋中硅藻的種類最多，淡水和潮濕的土壤也不少。據估測每立方厘米土壤中有羽紋藻約1億個。硅藻種間個體差異大，小者3.5 μm，大者300-600 μm。硅藻的身體雖然只有一個細胞，但是海洋微藻和硅藻都是EPA和DHA的初級生產者。因為ω- LC-PUFAs已被證實對人體健康有益，因此對于這些高價值的脂肪酸的需求量在不斷增加，而海洋微藻的培養是這些油料資源的來源之一。但是，目前還沒有一種藻類可以積累高濃度EPA和DHA。

　　硅藻三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)自然積累高水平的EPA，被認為是工業生產一個好來源。然而,它積累的DHA微乎其微。洛桑研究所的科學家利用代謝工程和基因工程，首次證明可以實現三角褐指藻中DHA含量增加八倍，此項研究成果已經在《代謝工程》(Metabolic Engineering)雜志發表。

　　Olga Sayanova博士說他們已經能夠將兩種來自海洋真核微藻Ostreococcus taur基因用于硅藻(Phaeodactylum tricornutum)中，而且成功改變了硅藻中的ω-3類物質的含量。在硅藻中的egeens上成功的表達是前所未有的。Olga Sayanova博士領導的研究人員已經開發研究了多年,現在卓越的分子生物學工具使研究人員能夠達到這樣的基因改造。

　　在目前的研究中,他們已經成功地開發了硅藻的一個變種，既可以積累EPA也可以積累DHA。自然硅藻可以產生大約35%左右的EPA，但是DHA在總油中的含量微乎其微。研究人員開發的轉基因硅藻變種可以將一部分的EPA轉化為DHA。因此，他們已經成功地形成了首例轉基因硅藻，可以同時合成ω-3 LC-PUFAs中最有價值的2種物質即EPA和DHA。

　　洛桑研究所正在領導代謝工程研究小組的Johnathan Napier教授說道,“ω-3 LC-PUFAs替代源的需要變得越來越緊迫,我們應該調查所有可能的替代源。對于當前研究的結果我們感到非常興奮,因為它將大大有助于建立硅藻即三角褐指藻作為藻合成生物學生產高附加值油品的框架。”