水稻懸浮細胞重組蛋白表現系統
Rice Suspension Cell Protein Expression System
應用基因工程技術可以利用微生物及動、植物細胞等為寄主細胞，大量生產各種有價值的重組蛋白。而隨著年代的演進，基因重組蛋白表達系統越來越多樣，它們各自有其優缺點。一般而言，理想的重組蛋白表現系統需要具備高生物安全性，並能利用低成本量產具生物活性的重組蛋白。為使大部分的重組基因可以在蛋白表達系統中大量表現，發展出一套最理想的蛋白表達系統，是許多研究團隊的目標。在過去二十年來的研究中，大部份研究團隊都專注在探討如何利用微生物和動物的系統來生產蛋白質。近年來，由於植物分子生物機制的研究、組織培養與基因轉殖系統趨於成熟，使得利用植物來生產蛋白質成為另一個選擇。又因為植物細胞對人體而言無病源性污染的疑慮，因此相較動物細胞與微生物系統具有高度生物安全性，此外植物培養基成份簡單且成本低，使蛋白質純度較高，不易受到交叉汙染等優勢，因此植物和植物細胞愈發展為一個具有競爭優勢的蛋白質表達系統。
水稻(Oryza sativa)是重要糧食作物之一，全世界將近一半人口以水稻為主食。水稻基因序列已完全解碼，也建立了完整的基因轉殖技術，因此水稻成為單子葉植物的模式植物。此外，水稻也是很好生產重組蛋白的平台。目前除了菸草細胞以外，水稻細胞是最常用來做為外源蛋白生產的植物細胞，由於不像菸草會產生高單位的蛋白質水解酵素及二次代謝物，產率甚至比菸草懸浮細胞高一千倍，因此培養在液態培養基中的水稻懸浮細胞，是大量的生產重組蛋白良好平台。目前所使用水稻懸浮細胞生物反應器之蛋白質表達系統，主要是應用澱粉水解酵素α-amylase作為啟動子加上分泌訊號蛋白片段接上所要表達的重組蛋白質基因，然後以農桿菌或基因槍等基因轉殖的方法送入水稻細胞中，建立成穩定的轉殖懸浮培養細胞系，經過一連串大量培養的過程，最後可發展建成生物反應器，重組蛋白質即可從培養液中大量獲得(圖一)。
圖一、水稻懸浮細胞重組蛋白生產流程 (蘇嵩傑製)
在國科會、科技部與業界多年的支持下，黃麗芬老師實驗室在元智大學持續朝【水稻懸浮細胞重組蛋白】表現系統的商業化努力，並且密切與改良此水稻細胞表現系統之前【農業生物技術國家型科技計畫團隊】合作:嘉義大學侯新龍老師、中央大學陸重安老師以及長庚大學劉裕國老師，以期有效利用此水稻懸浮細胞於植物生物反應器中。近幾年，黃老師實驗室和合作夥伴在國際期刊和專利的申請上，有了亮眼的成績。
1.Huang, L.F.*, Tan, C.C., Yeh, J.F., Liu, H.Y., Liu, Y.K., Ho, S.L., Lu, C.A.* (2015) Efficient secretion of recombinant proteins from rice suspension cultured cells modulated by the choice of signal Peptide. PLoS ONE 10(10): e0140812. doi:10.1371/journal.pone.0140812 (SCI, Impact Factor: 3.234, Category: Multidisciplinary sciences, Ranking 9/57=15.79%).
◆本研究提供更有效率的水稻細胞分泌胜肽,以增加水稻懸浮細胞分泌重組蛋白到培養基的效率。免除破胞的步驟，在生化工程的領域裡，可是省時省工的大優勢，再加上高效率的分泌胜肽，如虎添翼!
2.Liu, Y.K.*, Li, Y.T., Lu, C.F., Huang, L.F.* (2015) Enhancement of recombinant human serum albumin in transgenic rice cell culture system by cultivation strategy. New Biotechnology, 32(3), 328-334 (SCI, Impact Factor: 2.898, Category: Biotechnology & applied microbiology, Ranking 50/162=30.86%).
◆人類白蛋白是目前使用量最大宗的醫療用蛋白，目前主要由人類血漿供應純化，然而血源不穩定和可能的病源菌污染是一大隱憂。本研究利用細胞培養政策讓基因轉質水稻細胞分泌更多的人類白蛋白，這是一篇企圖由實驗室規模朝放大製程努力的植物分子生物科技應用的文章。
3.Kuo, Y.C., Tan, C.C., Ku, J.T., Hsu, W.C., Su, S.C., Lu, C.A., Huang, L.F.* (2013) Improving Pharmaceutical Protein Production in Oryza sativa. International Journal of Molecular Sciences, 14: 8719-8739 (SCI, Impact factor: 2.862, Category: Chemistry, multidisciplinary, Ranking 45/157=28.66%).
Link: http://www.mdpi.com/1422-0067/14/5/8719
◆對利用水稻細胞生產醫療用蛋白有興趣嗎?透過黃老師實驗室這篇深入淺出的review文章，可對醫療用蛋白目前在植物系統有更深的了解!
4.Liu, Y.K.*, Huang, L.F., Ho, S.L., Liao, C.Y., Liu, H.Y., Lai, Y.H., Yu, S.M. and Lu, C.A.* (2012) Production of mouse granulocyte-macrophage colony stimulating factor by Gateway technology and transgenic rice cell culture. Biotechnology & Bioengineering, 109:1239-1247 (SCI, Impact factor 4.126, Category: Biotechnology & applied microbiology, Ranking 24/162=14.81%).
◆這篇文章將方便重組蛋白基因構築的Gateway system導入水稻懸浮細胞表現系統中，以分泌具活性的細胞素mGMCSF，以應用於醫療研究。
5.生物科技產學論壇:黃麗芬、陸重安 (2012) 水稻細胞生物反應器生產重組細胞素
6.中華民國專利:發明第I530503號,[修飾的啟動子序列及其應用],專利權人:元智大學; 發明人:黃麗芬,陳鵬文,余淑美(2016/04/21)