植物细胞生物转化

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第1013页（2115字）

植物细胞生物转化，是利用植物细胞的酶系统将加入到培养基中的底物转化为其它产物的生理生化过程，即有目的地完成有机物质特定官能团的代谢反应。

生物转化能获得用常规有机合成方法难以完成的化合物，产生巨大的经济效益。此外，生物转化有利于阐明生物合成途径和机制，发现新的具有高度专一性的酶系统。

1970年以来，由于植物细胞培养技术的发展，以及植物次级代谢规律和酶学研究的逐渐深入，使得植物细胞或器官能容易地在人为控制条件下生长。人们已能利用微生物进行甾体、杀虫剂、抗生素、前列腺素等多种化合物的生物转化的研究，并实现了氧化、还原、异构化、羟基化等复杂的生物转化反应。由于微生物细胞生物转化酶系统的局限性，人们开始利用植物细胞的特殊酶系统进行生物转化的研究，主要进行的是甾体、生物碱和强心甙的生物转化。1980年以来，利用植物细胞进行生物转化的研究十分活跃，并取得较大进展，已成功地利用烟草、人参、紫草、毛地黄、长春花、胡萝卜等培养细胞系完成了有效成分的羟基化、氧化、还原、配糖化、水解、酯化、异构化、环氧化等生物转化反应，同时筛选了一批转化能力强且专一的细胞株，有的生物转化已显示出工业应用前景。

到1991年止，已利用植物细胞进行生物转化的化合物有芳香族化合物如酚类、苯胺类、肉桂酸及其衍生物；香豆素类化合物；生物碱如莨菪烷生物碱、异喹啉生物碱、吲哚生物碱、麦角生物碱；各种萜类化合物和甾体化合物等。按生物转化机制主要分为：(1)羟基化作用。这类反应常常具有立体专一性，如烟草细胞培养物具有羟基化反式甲基团的能力。

毛地黄毒甙和β－甲基毛地黄毒甙加入到希腊毛地黄细胞培养液中，能在C－12位上发生专一性羟基化，且90%的羟基化产物能分泌到培养基中，仅10%贮存在细胞中，既有利于后处理加工，又有利于用固相细胞培养技术低成本地进行生物转化，以生产高效的强心甙药物——异羟基毛地黄毒甙和β－甲基异羟基毛地黄毒甙。(2)醇和酮之间的氧化还原反应。该转化反应具有高度的立体专一性，制备手性化合物很有用的方法。

如烟草培养细胞能立体选择性地氧化某些化合物如龙脑的羟基。(3)配糖化反应。植物有效成分中，配糖体常常是一些药物的重要来源，而其甙原常常不呈现药效或者药效很低，因而甙原的配糖化备受重视，较为成功的例子是利用筛选的熊果和长春花细胞系进行熊果甙的生物转化，其转化前体是廉价的对羟基苯酚，而获得的转化产物熊果甙被广泛用作尿道消毒和皮肤黑色素合成的抑制剂。

日本横山等对熊果甙转化机理进行了较详细的研究，找到了促进该化合物转化的种种因素如高产细胞系的筛选、葡萄糖和蔗糖的浓度、一些抗氧剂的加入、怎样获得高细胞密度及培养过程中连续加入前体等。在20升的生物反应器中，转化的熊果甙的产量达9g／L。(4)酯化。一些有机酸与底物分子的羟基反应，形成一些水不溶性化合物，且很容易从培养液中抽提出来，剩下的培养基可以再循环使用。(5)此外，还有一些其他的生物转化反应，如碳碳双键的加氢反应、分子的异构化、环氧化、降解反应以及脱氢等。

植物细胞生物转化有着广阔的前景，但仍有许多问题需要解决，主要是对次级代谢产物的生物合成途径及其酶系统的了解还不够。此外，在细胞培养系统尤其是在多相培养系统中进行生物转化的方法学仍有待改进。

值得一提的是，从1981～1991年，固相化植物细胞培养技术有了长足的进展。采用固相化植物细胞培养技术具有许多优点：固相化细胞能抵抗切变力的伤害；培养细胞使用期长，获得生物产量高，从而使底物的转化率提高；便于操作和连续的化学后处理，可有效地降低生产成本。

植物生物转化的目标之一是将廉价的前体转化为有价值的、贵重的植物产品。因此，今后应进行高产专一性细胞株的筛选，以提高生物转化速率。

因培养细胞在大体积的生物反应器中完成的转化反应与在小规模培养条件下完成的转化反应尚有差异，因此还必须进行比拟放大以及大体积培养条件下的生物转化的动力学研究。

【参考文献】：

1 Kurz W G W,et a\. Advances in Applied Microbiology. 1979,25:209～240

2 Reinhard E,et al. Advances in Biochemical Engineering. 1980.16:49～83

3 Suga T,et al. Phytochemistry. 1990,29:2393 ～ 2406

4 Kawaguchi K,et al. Phytochemistry. 1990,29:837 ～ 843

(中国科学院昆明植物研究所周立刚硕士撰；杨崇仁审)