酶工程动植物细胞培养产酶资料.pptx

与微生物细胞相比，动物细胞与微生物细胞相比，动物细胞和植物细胞具有各自不同的特性，和植物细胞具有各自不同的特性，需采用各自不同的培养工艺。需采用各自不同的培养工艺。第1页/共44页一、植物细胞培养产酶一、植物细胞培养产酶 第2页/共44页全世界用其制备天然芳香化合全世界用其制备天然芳香化合物的价值超过物的价值超过1515亿亿/年；年；美国用其生产药物超过美国用其生产药物超过3030亿亿/年；年；我国使用的中草药及其制备大我国使用的中草药及其制备大部分来自植物；部分来自植物；主要生产色素、药物、香精、主要生产色素、药物、香精、酶等次级代谢物。酶等次级代谢物。第3页/共44页 酶酶 植物细胞植物细胞 糖苷酶糖苷酶 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 漆酶漆酶 过氧化物酶过氧化物酶-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶 酸性转化酶酸性转化酶 碱性转化酶碱性转化酶 糖化酶糖化酶 木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶 苯丙氨酸氨裂合酶苯丙氨酸氨裂合酶 胡萝卜细胞胡萝卜细胞 紫苜宿细胞紫苜宿细胞 假挪威槭细胞假挪威槭细胞 甜菜细胞甜菜细胞 利马豆细胞利马豆细胞 甜菜细胞甜菜细胞 甜菜细胞甜菜细胞 甜菜细胞甜菜细胞 木瓜细胞木瓜细胞 花生细胞花生细胞 植物细胞发酵产酶第4页/共44页在在细细胞膜外，由胞膜外，由纤维纤维素素构构成成。功能：功能：1.1.支支持持细细胞，使它有固定胞，使它有固定形形状状。2.2.保保护细护细胞胞 叶绿体：叶绿体：内内有有叶绿叶绿素，素，进进行行光合行用光合行用 植物植物细细胞通常有胞通常有较较大的大的液泡液泡 第5页/共44页1.1.植物细胞培养植物细胞培养 植物细胞培养植物细胞培养是指在离是指在离体条件下，将愈伤组体条件下，将愈伤组织或其它易分散的组织或其它易分散的组织置于液体培养基中织置于液体培养基中进行振荡培养，得到进行振荡培养，得到分散成游离的悬浮细分散成游离的悬浮细胞，通过继代培养增胞，通过继代培养增殖，获得大量细胞的殖，获得大量细胞的一种技术。一种技术。第6页/共44页植物细胞具有的特性植物细胞具有的特性细胞大，细胞壁以纤维素为主要成分，抗剪切细胞大，细胞壁以纤维素为主要成分，抗剪切能力低；能力低；生长速率慢，为防止培养过程中染菌，需加抗生长速率慢，为防止培养过程中染菌，需加抗生素；生素；细胞培养需氧，而培养液粘度大，且不能强力细胞培养需氧，而培养液粘度大，且不能强力通风搅拌；通风搅拌；产物在细胞内且产量低；产物在细胞内且产量低；细胞常生长成各种大小的团块，增加了悬浮培细胞常生长成各种大小的团块，增加了悬浮培养的难度等。养的难度等。第7页/共44页二、植物细胞培养的特点例如：紫草宁的生产，例如：紫草宁的生产，发酵细胞中的紫草宁比发酵细胞中的紫草宁比紫草根中高紫草根中高1010倍。倍。紫草宁的结构（1 1）提高产率）提高产率第8页/共44页（2 2）缩短周期）缩短周期发酵周期发酵周期10103030天，种植周期几个月几年。天，种植周期几个月几年。（3 3）易于管理）易于管理减低劳动强度；不受地理环境和气候条件等影响。减低劳动强度；不受地理环境和气候条件等影响。（4 4）提高产品质量）提高产品质量主要产物浓度高，易于分离纯化，减少环境中各种有害物质污染和侵蚀。主要产物浓度高，易于分离纯化，减少环境中各种有害物质污染和侵蚀。（5 5）其它）其它设计植物细胞生物反应器和控制工艺条件时应注意一些问题。设计植物细胞生物反应器和控制工艺条件时应注意一些问题。第9页/共44页三、植物细胞培养的工艺条件及其控制（一）植物细胞培养的工艺流程（一）植物细胞培养的工艺流程外植体细胞的获取细胞培养分离纯化产物第10页/共44页1、外植体的选择与处理外植体是指从植株取出，经过预处理后，用于植物组外植体是指从植株取出，经过预处理后，用于植物组织和细胞培养的植物组织（包括根、茎、叶、芽、花、织和细胞培养的植物组织（包括根、茎、叶、芽、花、果实、种子等）的片段或小块；果实、种子等）的片段或小块；选择无病虫害、生长旺盛的植株；选择无病虫害、生长旺盛的植株；切成小块，消毒，漂洗切成小块，消毒，漂洗水稻的外植体（幼胚）水稻的外植体（幼胚）第11页/共44页2、植物细胞的获取（）直接分离法：通常有机械法、酶解法；（）直接分离法：通常有机械法、酶解法；机械法具体做法：将叶片轻轻研碎、过滤离心、收集净化从未分化的疏松易碎的愈伤组织，通过摇床振荡获得分散的单细胞或小细胞团优点：细胞不受酶伤害；有利于进行细胞的生理和生化研究。第12页/共44页酶解法酶对细胞壁有一定的软化作用，所以采用酶法时，必须加入甘露醇等渗透压保护剂。优点可获得较多的叶肉游离细胞（但对禾本科植物叶片效果不好）。第13页/共44页2、植物细胞的获取（）直接分离法，有机械法、酶解法；（）直接分离法，有机械法、酶解法；（）愈伤组织诱导法；（）愈伤组织诱导法；（）原生质体再生法（）原生质体再生法第14页/共44页愈伤组织：愈伤组织：将上述外植体植入诱导培养基中，于将上述外植体植入诱导培养基中，于2525左右培养一段时间，从外植体的切口部位长出左右培养一段时间，从外植体的切口部位长出小细胞团。小细胞团。水稻的愈伤组织（幼胚）水稻的愈伤组织（幼胚）第15页/共44页1 1、植物细胞培养基的特点、植物细胞培养基的特点（1 1）需要大量无机盐，除）需要大量无机盐，除P P、S S、K K、CaCa、MgMg外，外，还需还需B B、MnMn、ZnZn、MoMo、CuCu、CoCo、I I（2 2）需要多种维生素和植物生长激素，如硫）需要多种维生素和植物生长激素，如硫胺素、吡哆素、烟酸、肌醇、分裂素等。胺素、吡哆素、烟酸、肌醇、分裂素等。（3 3）一般为无机氮源。）一般为无机氮源。（4 4）一般以蔗糖为碳源。）一般以蔗糖为碳源。（二）植物细胞培养的培养基（二）植物细胞培养的培养基第16页/共44页2.2.几种常用的植物细胞培养基几种常用的植物细胞培养基几种常见的培养基是：几种常见的培养基是：MSMS、B5B5、WhiteWhite等。等。第17页/共44页3 3、植物细胞培养基的配制、植物细胞培养基的配制第18页/共44页（三）温度的控制（三）温度的控制室温（室温（2525）（四）pHpH值的控制值的控制 微酸性（微酸性（pH5pH56 6）（五）溶解氧的调节控制（五）溶解氧的调节控制代谢慢，耗氧少，对剪切力敏感，搅拌不宜强烈。代谢慢，耗氧少，对剪切力敏感，搅拌不宜强烈。（六）光照的控制（六）光照的控制（七）前体的添加（七）前体的添加提高次级代谢物的产量。提高次级代谢物的产量。（八）刺激剂（八）刺激剂(electior)(electior)的应用的应用强化次级代谢产物的生物合成。常用微生物细强化次级代谢产物的生物合成。常用微生物细胞壁碎片和胞外酶。胞壁碎片和胞外酶。第19页/共44页四、植物细胞培养产酶的工艺过程SOD是生物体内清除超氧化物是生物体内清除超氧化物阴离子自由基阴离子自由基(O 2)的重要金的重要金属酶类。它和过氧化氢酶、过氧属酶类。它和过氧化氢酶、过氧化物酶一起构成了生物体内重要化物酶一起构成了生物体内重要的酶促反应防御体系，从而维护的酶促反应防御体系，从而维护生物体内细胞正常的生理代谢和生物体内细胞正常的生理代谢和生化反应。衰老自由基学说认为生化反应。衰老自由基学说认为衰老源于机体正常代谢过程中产衰老源于机体正常代谢过程中产生过量的自由基对机体损害的结生过量的自由基对机体损害的结果。超氧化物歧化酶果。超氧化物歧化酶(SOD)作为作为能催化超氧阴离子发生歧化反应能催化超氧阴离子发生歧化反应的自由基清除剂，具有延缓衰老的自由基清除剂，具有延缓衰老的作用。的作用。天瑞SOD苹果 以大蒜细胞培养生产超氧化物歧化酶（SOD）为例第20页/共44页(1)(1)大蒜愈伤组织的诱导大蒜愈伤组织的诱导 选取结实、饱满、无病虫害的大蒜蒜瓣，选取结实、饱满、无病虫害的大蒜蒜瓣，去除外皮，先用去除外皮，先用70%70%乙醇消毒乙醇消毒20s20s，再用，再用0.1%0.1%升升汞消毒汞消毒10min10min，然后无菌水漂洗，然后无菌水漂洗3 3次。次。在无菌条件下，切成在无菌条件下，切成0.5cm0.5cm3 3的小块，植入的小块，植入含有含有3mg/L 2,4-D3mg/L 2,4-D和和1.2mg/L 6-BA 1.2mg/L 6-BA 的半固体的半固体MSMS培养基中，在培养基中，在2525，600lux600lux，12h/d12h/d光照条件下光照条件下培养培养18d18d，诱导得到愈伤组织，每，诱导得到愈伤组织，每1818天继代一次。天继代一次。第21页/共44页(2)(2)大蒜悬浮细胞培养大蒜悬浮细胞培养 将上述在半固体将上述在半固体MSMS培养基上培养培养基上培养18d18d的愈的愈伤组织，在无菌条件下转入含有伤组织，在无菌条件下转入含有3mg/L 2,4-D3mg/L 2,4-D和和 1.2mg/L 6-BA 1.2mg/L 6-BA（苄基腺嘌呤）（苄基腺嘌呤）的液体的液体MSMS培养基中，加入灭菌的玻璃珠，培养基中，加入灭菌的玻璃珠，2525，600lux600lux，12h/d12h/d光照条件下震荡培养光照条件下震荡培养18d18d，使，使愈伤组织分散成为小细胞团或单细胞。愈伤组织分散成为小细胞团或单细胞。然后在无菌条件下，经过筛网将小细胞然后在无菌条件下，经过筛网将小细胞团或单细胞转入含有团或单细胞转入含有3mg/L 2,4-D3mg/L 2,4-D和和1.2mg/L 1.2mg/L 6-BA 6-BA 的液体的液体MSMS培养基中，培养基中，25,600lux25,600lux，12h/d12h/d光照条件下震荡培养光照条件下震荡培养18d18d。第22页/共44页(3)(3)酶的分离纯化酶的分离纯化 细胞培养完成后，收集细胞，经过细胞细胞培养完成后，收集细胞，经过细胞破碎、提取、分离得到超氧化物歧化酶。破碎、提取、分离得到超氧化物歧化酶。第23页/共44页二、动物细胞培养产酶二、动物细胞培养产酶第24页/共44页 动物细胞可产生较高价值的物质动物细胞可产生较高价值的物质,特别是激素、疫苗，单克隆抗体和酶特别是激素、疫苗，单克隆抗体和酶等动物功能蛋白。等动物功能蛋白。第25页/共44页动物细胞模式图第26页/共44页一、动物细胞的特性（1 1）无细胞壁）无细胞壁,脆弱脆弱;（2 2）体积比微生物细胞大几千倍）体积比微生物细胞大几千倍,稍小于植物细胞稍小于植物细胞;（3 3）具有群体效应、锚地依赖性、接触抑制性、功能全能性；）具有群体效应、锚地依赖性、接触抑制性、功能全能性；（4 4）营养要求复杂。）营养要求复杂。第27页/共44页二、二、动物细胞培养的特点动物细胞培养的特点（1）主要用于生产各种功能蛋白质；（2）生长缓慢；（3）需加抗生素防污染；（4）细胞体积大，无细胞壁保护，对剪切力敏感；（5）具锚地依赖性，宜贴壁培养；部分用悬浮培养；（6）培养基成分复杂，反应过程成本高，产品价格贵；（7）原代细胞培养50代后，即会退化死亡，需要重新分离细胞。第28页/共44页三、动物细胞培养的方式来自血液、淋巴组织来自血液、淋巴组织的细胞、肿瘤细胞、的细胞、肿瘤细胞、杂交瘤细胞等非锚定杂交瘤细胞等非锚定依赖性细胞采用。依赖性细胞采用。类似于微生物细胞的类似于微生物细胞的深层发酵，但工艺条深层发酵，但工艺条件有较大差别。件有较大差别。杂交瘤细胞悬浮培养（一）悬浮培养第29页/共44页细胞悬浮培养法的优细胞悬浮培养法的优点点可连续收集部分细胞进行移植继代培养，传代时无需消化分散，免遭酶类、可连续收集部分细胞进行移植继代培养，传代时无需消化分散，免遭酶类、EDTAEDTA及机械损害。及机械损害。细胞收率高，并可连续测定细胞浓度，还有可能实现大规模直接克隆培养。细胞收率高，并可连续测定细胞浓度，还有可能实现大规模直接克隆培养。第30页/共44页注意事项注意事项培养过程中，为确保细胞呈单颗粒均匀悬浮状态，培养过程中，为确保细胞呈单颗粒均匀悬浮状态，需采用搅拌或气升式反应器，以较低搅拌速度及需采用搅拌或气升式反应器，以较低搅拌速度及一定速度通入含一定速度通入含5 5COCO2 2的无菌空气，保持细胞悬的无菌空气，保持细胞悬浮态并维持培养液溶解氧。浮态并维持培养液溶解氧。此外不同细胞悬浮条件亦异，为使细胞不致凝集、此外不同细胞悬浮条件亦异，为使细胞不致凝集、成团或沉淀，在配制培养基的基础盐溶液中不加成团或沉淀，在配制培养基的基础盐溶液中不加钙和镁离子。间歇或连续更换部分培养液，可维钙和镁离子。间歇或连续更换部分培养液，可维持持pHpH值，若使用值，若使用HEPESHEPES缓冲盐溶液时尚可不必连缓冲盐溶液时尚可不必连续通入含续通入含5 5COCO2 2空气。空气。第31页/共44页大多数动物细胞，采用大多数动物细胞，采用:（1 1）滚瓶培养系统）滚瓶培养系统:结构简单结构简单,重现性好重现性好;（二）贴壁培养（二）贴壁培养第32页/共44页将动物细胞吸附于微载体表面，在培养液中进行悬浮培养，使细胞在微载体表面长成单层将动物细胞吸附于微载体表面，在培养液中进行悬浮培养，使细胞在微载体表面长成单层的培养方法称为微载体培养法。的培养方法称为微载体培养法。由葡聚糖凝胶制成微球由葡聚糖凝胶制成微球,动物细胞依附其上单层生长繁殖动物细胞依附其上单层生长繁殖,悬浮于培养液中悬浮于培养液中;特点特点:比表面积大比表面积大,单位体积培养液细胞产率高单位体积培养液细胞产率高;具有悬浮培养的优点。具有悬浮培养的优点。（2 2）微载体系统）微载体系统:第33页/共44页制备微载体的材料主要有：制备微载体的材料主要有：葡聚糖（葡聚糖（DEAEDEAESephadex ASephadex A5050及及A A25 25）塑料塑料明胶明胶玻璃玻璃纤维素纤维素 第34页/共44页四、动物细胞培养的工艺条件及其控制种质细胞：体细胞、杂交瘤细胞；种质细胞：体细胞、杂交瘤细胞；工艺过程：工艺过程：种质细胞胰蛋白酶悬浮细胞悬浮培养或贴壁培养收集培养液、分离纯化第35页/共44页（一）动物细胞培养基组成成分1 1、氨基酸：各种必需氨基酸，谷氨酰胺等，、氨基酸：各种必需氨基酸，谷氨酰胺等，作为碳源和能源利用；作为碳源和能源利用；2 2、维生素：血清中，、维生素：血清中，B B族和维族和维C C；3 3、无机盐：调节渗透压；、无机盐：调节渗透压；4 4、葡萄糖：作为碳源和能源；、葡萄糖：作为碳源和能源；5 5、激素：胰岛素、生长激素、氢化可的松；、激素：胰岛素、生长激素、氢化可的松；6 6、生长因子：如表皮生长因子、神经生长、生长因子：如表皮生长因子、神经生长 因子、成纤维细胞生长因子。因子、成纤维细胞生长因子。第36页/共44页（二）动物细胞培养基的配制首先配制各类母液，使用前混合过滤除菌，首先配制各类母液，使用前混合过滤除菌，使用时稀释至所需浓度；使用时稀释至所需浓度；各种动物培养基已商品化。各种动物培养基已商品化。（三）温度的控制一般控制在一般控制在36.5;36.5;温度也会影响温度也会影响pHpH值。值。第37页/共44页（四）pHpH值的控制一般控制在一般控制在pH7.0pH7.07.6;7.6;培养过程中需要对培养过程中需要对pHpH值进行监测和调节；值进行监测和调节；采用采用COCO2 2和和NaHCONaHCO3 3溶液调节溶液调节:需注意溶解氧的控制；流加需注意溶解氧的控制；流加酸碱液；酸碱液；加入缓冲系统；加入缓冲系统；监测指示剂为酚红。监测指示剂为酚红。（五）渗透压的控制培养液渗透压应与细胞内的渗透压处于等渗状态。培养液渗透压应与细胞内的渗透压处于等渗状态。（六）溶解氧的控制溶解氧的供给对动物细胞培养至关重要；溶解氧的供给对动物细胞培养至关重要；采用调节混合气体的量与比例的方法。采用调节混合气体的量与比例的方法。第38页/共44页五、动物细胞培养产酶的工艺过程以人黑色素瘤细胞培养生产组织纤溶酶原活化剂以人黑色素瘤细胞培养生产组织纤溶酶原活化剂(tPA)(tPA)为例：为例：tPAtPA是一种丝氨酸蛋白酶是一种丝氨酸蛋白酶,可以催化纤溶酶原水解，生成纤溶酶可以催化纤溶酶原水解，生成纤溶酶;纤溶酶催化血栓中的纤溶酶催化血栓中的血纤维蛋白水解，对血栓性疾病有显著疗效。血纤维蛋白水解，对血栓性疾病有显著疗效。第39页/共44页生产组织纤溶酶原活化剂的工艺过生产组织纤溶酶原活化剂的工艺过程程、人黑色素瘤细胞培养基；、人黑色素瘤细胞培养基；、人黑色素瘤细胞培养；、人黑色素瘤细胞培养；、组织纤溶酶原激活剂的分离纯化。、组织纤溶酶原激活剂的分离纯化。第40页/共44页动、植物细胞培养与微生物培养区动、植物细胞培养与微生物培养区别别动物细胞无细胞壁，且大多数哺乳动物细胞附着在动物细胞无细胞壁，且大多数哺乳动物细胞附着在固体或半固体的表面才能生长；对营养要求严格，固体或半固体的表面才能生长；对营养要求严格，除氨基酸、维生素、盐类、葡萄糖或半乳糖外，还除氨基酸、维生素、盐类、葡萄糖或半乳糖外，还需有血清。动物细胞对环境敏感，包括需有血清。动物细胞对环境敏感，包括pHpH、溶氧、溶氧、温度、剪切应力都比微生物有更严的要求，一般须温度、剪切应力都比微生物有更严的要求，一般须严格的监测和控制。严格的监测和控制。植物细胞对营养要求较动物细胞简单。但由于植物植物细胞对营养要求较动物细胞简单。但由于植物细胞培养一般要求在高密度下才能得到一定浓度的细胞培养一般要求在高密度下才能得到一定浓度的培养产物，以及植物细胞生长较微生物要缓慢，长培养产物，以及植物细胞生长较微生物要缓慢，长时间的培养对无菌要求及反应器的设计也提出特殊时间的培养对无菌要求及反应器的设计也提出特殊的要求。的要求。第41页/共44页三者之间的差异主要有：三者之间的差异主要有：l 植物细胞植物细胞 动物细胞动物细胞 微生物细胞。微生物细胞。l 动物细胞、植物细胞的生产周期比微生物长。动物细胞、植物细胞的生产周期比微生物长。l 植物细胞和微生物细胞的营养要求较简单。植物细胞和微生物细胞的营养要求较简单。l 植物细胞的生长以及次级代谢物的生产要求一定的光植物细胞的生长以及次级代谢物的生产要求一定的光照。照。l 植物细胞和动物细胞对剪切力敏感。植物细胞和动物细胞对剪切力敏感。l 植物、微生物和动物细胞的主要目的产物各不相同。植物、微生物和动物细胞的主要目的产物各不相同。第42页/共44页第43页/共44页感谢您的观看！第44页/共44页