細胞代謝工程在農業生技產業的應用

陳裕星

透明顫菌血紅蛋白 ； 菸草 ； 代謝工程 ； Vitreoscilla hemoglobin (VHb) ； tobacco ； metabolic engineering

臺中區農業改良場特刊

116號（2013 / 05 / 01）

33 - 42

繁體中文

利用基因工程技術改善微生物、植物及哺乳動物細胞以製備重組蛋白質、疫苗、單株抗體或生產二次代謝物等，是生物科技產業中一大應用領域。然而培養中的細胞在代謝上有往往會產生許多不利生長的特徵，包括過度依賴糖解作用製造能量、高糖條件下容易產生乳酸、醋酸、TCA循環酵素活性低、代謝glutamine作為能量基質而產生氨毒害，使細胞凋亡及不易達成高密度細胞培養，進而限制了細胞生長以及目標物質的產量。研究人員透過基因工程的操作，以期使細胞可以合成自身所需的生長因子、可調控細胞週期，改變關鍵代謝物質流量以及提升細胞活性等。在調控細胞中間代謝所使用之基因中，透明顫菌之血紅蛋白（Vitreoscillahemoglobin, VHb）相當受到矚目，此蛋白在雙體構型時對氧氣有高度親和性可截取氧氣以提供代謝所需，在低氧的環境下結合VHb之重組菌株可以顯著提高大腸桿菌之密度、改變生長速率、提高蛋白質產量，提高抗生素產量，促進核糖體之合成，顯著促進有機化合物如benzoic acid，2,4-DNT（2,4-dinitrotoluene）等之分解。提高ATP、NAD(P)H的利用率，提高細胞呼吸速率，促進氧化酵素之活性，改變氧氣利用性質等。在代謝上之改變則傾向於增加糖解作用（glycolysis）以因應對ATP及其他還原劑如NAD(P)H等增加之需求。表達VHb基因到動物細胞後可發現轉染之細胞生長優於對照，細胞株對FBS依賴度較低、細胞可維持高的生長速率，有效利用培養基並減少乳酸堆積，清除自由基與促進細胞抗凋亡。研究人員將VHb表現於植物中，發現轉殖VHb基因於菸草植物中增加了將近10％的植物物質（plant material）產量，和控制組的植物相比，植物體中葉綠素含量也增加了30－40％。此外，植物體中尼古丁的合成也增加了，因為尼古丁的合成反應需要更多的氧氣參與，所以可能是VHb加強了氧氣的利用率所造成的結果。VHb也被轉殖到白楊樹，希望在樹木生長作為紙漿材料的過程中，也可以增加其耐淹水特性，並藉本基因增加其根圈氧氣有效性來促進廢汙水的分解處理。轉殖本基因到天仙子（Hyoscyamus muticus）則可發現培養中的細胞其培養基養分利用幅度增加，二次代謝物組成改變，本基因在細胞大規模培養的生產系統中相當具有開發應用價值。

利用基因工程技術改善微生物、植物及哺乳動物細胞以製備重組蛋白質、疫苗、單株抗體或生產二次代謝物等，是生物科技產業中一大應用領域。然而培養中的細胞在代謝上有往往會產生許多不利生長的特徵，包括過度依賴糖解作用製造能量、高糖條件下容易產生乳酸、醋酸、TCA循環酵素活性低、代謝glutamine作為能量基質而產生氨毒害，使細胞凋亡及不易達成高密度細胞培養，進而限制了細胞生長以及目標物質的產量。研究人員透過基因工程的操作，以期使細胞可以合成自身所需的生長因子、可調控細胞週期，改變關鍵代謝物質流量以及提升細胞活性等。在調控細胞中間代謝所使用之基因中，透明顫菌之血紅蛋白（Vitreoscillahemoglobin，VHb）相當受到矚目，此蛋白在雙體構型時對氧氣有高度親和性可截取氧氣以提供代謝所需，在低氧的環境下結合VHb之重組菌株可以顯著提高大腸桿菌之密度、改變生長速率、提高蛋白質產量，提高抗生素產量，促進核糖體之合成，顯著促進有機化合物如benzoic acid，2，4-DNT（2，4-dinitrotoluene）等之分解。提高ATP、NAD (P) H的利用率，提高細胞呼吸速率，促進氧化酵素之活性，改變氧氣利用性質等。在代謝上之改變則傾向於增加糖解作用（glycolysis）以因應對ATP及其他還原劑如NAD (P) H等增加之需求。表達VHb基因到動物細胞後可發現轉染之細胞生長優於對照，細胞株對FBS依賴度較低、細胞可維持高的生長速率，有效利用培養基並減少乳酸堆積，清除自由基與促進細胞抗凋亡。研究人員將VHb表現於植物中，發現轉殖VHb基因於菸草植物中增加了將近10％的植物物質（plant material）產量，和控制組的植物相比，植物體中葉綠素含量也增加了30－40％。此外，植物體中尼古丁的合成也增加了，因為尼古丁的合成反應需要更多的氧氣參與，所以可能是VHb加強了氧氣的利用率所造成的結果。VHb也被轉殖到白楊樹，希望在樹木生長作為紙漿材料的過程中，也可以增加其耐淹水特性，並藉本基因增加其根圈氧氣有效性來促進廢汙水的分解處理。轉殖本基因到天仙子（Hyoscyamus muticus）則可發現培養中的細胞其培養基養分利用幅度增加，二次代謝物組成改變，本基因在細胞大規模培養的生產系統中相當具有開發應用價值。