植物细胞培养制备代谢产物

影响次级代谢产物的因素1.生物因素（1）细胞株稳定、高产、生长速度快的细胞株是细胞大规模培养生产代谢产物的前提。在进行植物细胞培养生产有价值的代谢产物时必须弄清楚产物的合成部位，也就是应该考虑到不同部位来源细胞的特性。缺乏适合的细胞株是目前许多代谢产物无法利用细胞培养生产的主要限制之一。（2）细胞凋亡细胞凋亡（Cellapoptosis），也叫程序性细胞死亡（Programmedcelldeath，PCD），是机体维持环境稳定、有基因控制的细胞自主的有序性死亡。细胞凋亡是植物细胞培养过程中不可避免的现象，但是可以通过条件改变进行调控来减少细胞凋亡。关键是要保证充足的营养供给以及避免有害代谢产物的积累，这可以通过采用合适的培养工艺来实现。（3）细胞团植物细胞容易聚集成团，每个细胞团一般由4-300个细胞组成，大小因植物细胞种类不同具有较大差异，例如：烟草细胞团直径大约在350-1000μm，长春花细胞团在40-2000μm之间。细胞团的形成影响稳定的悬浮体系的维持，同时造成了培养物的显著异质性，细胞团表面与内部的细胞存在营养吸收和代谢产物分泌的差异。此外，细胞团容易受剪切力影响而破碎，引起培养液粘度增加，致使气体交换与传递受到影响。要保持反应器良好的混合效果。适当大小的细胞团有利于代谢产物积累。（4）生物合成机制次级代谢产物的生物合成不同于蛋白质合成，涉及多基因参与（基因簇），机制非常复杂，影响因素非常多。结合目标产物进行生物合成机制研究，揭示代谢途径及诱导合成机制是细胞培养的重要生物学问题，有利于指导建立优化的培养工艺与技术。2.化学因素主要通过合适的培养基选择来控制，包括营养盐、前体和调节因子等。（1）营养盐：一方面是保证植物细胞生物量的增长；另外一方面是要保证细胞能合成和积累次级代谢产物。普通的培养基一般仅能满足第一方面的需要，对于第二方面的需求，必须针对具体的培养对象和目的，对培养基进行优化，从而保证最大限度地积聚目标产物。（2）前体（precursor）指某一代谢中间体的前一阶段的物质。一般在生物合成反应的中间过程中，某一阶段前的物质，都可以说是该阶段物质的前体物质。缺乏某一种前体时细胞就不能合成某一种代谢物。如果在培养基中加入外源前体将会有助于合成该代谢产物或使其产量增加。（3）诱导子狭义诱导子：是指那些能够与细胞发生相互作用，通过细胞内一系列的信号转导过程，作用于与细胞次生代谢相关的基因表达，进而改变细胞次生代谢相关酶的活力，最终使细胞次生代谢水平发生改变的物质。广义诱导子：是指所有能够提高细胞次生代谢相关酶活力，进而提高细胞次生代谢水平的外界因素。温度、光照、紫外线、红外线等都是广义诱导子。从来源上可以分为外源性和内源性诱导子，后者是指在外界信号刺激下细胞合成的物质。外源诱导子：菌丝、微生物机体提取物及微生物产生的多糖、蛋白和脂肪酸等内源性诱导子：来源于植物结构的化合物。如降解细胞壁的酶、细胞壁碎片、寡聚糖等有机分子。诱导子促进次生产物积累与其种类和浓度有关诱导子对南方红豆杉细胞培养合成紫杉醇的影响（4）反馈抑制•植物次级代谢产物在培养系统的积累有时会对目标产物的合成具有反馈抑制。•例如：直线式反馈控制（Straightlinearfeedbackcontro1)：当末端代谢产物达到一定浓度时，就会抑制该代谢途径，通常是抑制第一种酶的活性。•可以采用流加/半连续培养、两相培养等工艺技术可以克服。在培养体系中加入水溶性或脂溶性的有机物或者具有吸附作用的多聚化合物，使培养体系形成上、下两相，细胞在水相中生长合成次生代谢物质，分泌出来的产物被转移至有机相中。不仅减少了产物的反馈抑制作用，而且实现收获的连续化。•例如：•（1）在紫草细胞悬浮培养时加入十六烷不仅可以原位提取紫草宁色素，而且可以使产量提高。•（2）采用对紫杉醇有高分配系数的十六烷、油酸等进行东北红豆杉细胞两相培养生产紫杉醇，结果好于一般悬浮培养，有机相中紫杉醇含量远高于水相和细胞内紫杉醇。•（3）在培养的花菱草细胞中加入一种液体硅胶可使血根碱（sanguinarine）产量大幅度提高。3.物理因素

主要包括：光照、温度、通气、搅拌、pH值等。（1）光照：光对细胞代谢产物的合成有很重要的影响。光照时间长短、光质、光强等都会对代谢产物合成和积聚产生作用。光对许多酶有诱导或抑制作用。（2）温度：温度会影响酶的活性。细胞的生长速率与培养温度紧密相关。植物细胞培养一般在25℃左右进行。(3)pH:会影响培养液的渗透压、酸碱度，酶的活性，从而影响细胞代谢。植物细胞液体培养的pH变化范围在5－6之间，最佳的起始pH在5.5－5.8之间。如果对培养液pH进行控制，将有利于次级代谢产物的生成。4.工程技术问题（1）培养液的流变特性由于植物细胞培养过程中容易结团，同时，不少细胞在培养过程中容易分泌粘多糖等物质，从而使传氧速率降低，影响细胞生长。粘度变化可以由细胞本身或其分泌物等引起。前者包括细胞浓度、年龄、大小、结团情况等。（2）气体传递与微生物不同，植物细胞培养一般需要光照，通过光合作用合成有机物，因此氧气和CO2的含量与传递对培养过程影响较大。氧的传递与通气速率、培养液混合程度、培养液流变特性、气液界面面积等因素有关；而氧的吸收与反应器类型、细胞生长速率、温度、pH、营养组成、细胞浓度等相关。（3）搅拌与剪切力为了加强气－液－固之间的传质，细胞悬浮培养时需要混合搅动。植物细胞虽然有较硬的细胞壁，但是细胞壁很脆弱，对搅拌的剪切力很敏感。由于剪切力比较大，细胞会自溶，次级代谢产物合成会降低。各种植物细胞耐