Plant synthetic biology: New opportunities for large-scale culture of Plant Cells Synthetic Biology Journal    DOI: 10.12211/2096-8280.2024-095

Table 2 Heterologous synthesis of recombinant proteins in plant cells

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植物细胞独特的结构赋予其优越的生物制造特性。坚韧的细胞壁提供支持和保护，巨大的液泡不仅能储存潜在的毒性物质，还能调节渗透压以维持稳态，使植物细胞具备卓越的机械强度和抗逆性。此外，用于疾病治疗的功能蛋白在哺乳动物细胞中往往具有生理活性，从而影响细胞生长甚至产生细胞毒性，而植物细胞通常不受这些限制，在复杂蛋白的安全、稳定、高效生产上具有显著优势。PCC生产重组蛋白技术已经被广泛用于药用蛋白（如抗原、疫苗、抗菌蛋白）、胶原蛋白和工业酶的商业化生产［13］（表2）。例如，肿瘤辅助治疗药物槲寄生凝集素在大肠杆菌表达中易形成包涵体，在哺乳动物细胞中又因毒性问题难以高效生产。Benjamin等人在烟草BY-2细胞中合成槲寄生凝集素，省去了包涵体重新折叠的步骤，合成成本相较于大肠肝菌底盘节省了80%以上［33］。此外，来源于粮食作物的水稻（Oryza sativa）愈伤组织细胞，在法规方面比BY-2等细胞系更加符合要求，也已经被用于合成人类生长激素（hGH），人骨形态发生蛋白2（BMP2），牛胰蛋白酶原（Bovine trypsinogen）等［34-36］。Protalix Biotherapeutics公司和辉瑞公司利用转基因胡萝卜悬浮细胞生产重组葡萄糖脑苷脂酶（PrGCD）作为治疗戈谢病的生物治疗性蛋白质药物，在欧盟和美国上市［37］。烟草细胞培养中生产的针对新城疫病毒（Newcastle disease virus，NDV）的重组疫苗也于2006年获美国农业部批准上市［38］。这些进展标志着PCC作为功能蛋白的大规模生物制造平台，具有广阔的发展前景。

许多具有药理活性的天然产物都来源于植物，例如红豆杉中的紫杉醇，鬼臼属中的鬼臼毒素，人参中的人参皂苷等。结合植物细胞在“合成调控机制”方面的独特优势，使其成为天然产物合成的理想底盘：（1）植物细胞具备高效的催化酶表达和后修饰能力，特别是在细胞色素P450（cytochrome P450）等复杂结构蛋白的功能性表达上优于微生物底盘，例如大肠杆菌因缺乏糖基化和磷酸化机制而难以表达相关蛋白；（2）植物细胞内的精细代谢区隔（如叶绿体、线粒体）能为不同的合成途径提供特定的反应环境，包括适宜的能量状态和辅因子，而微生物细胞往往缺乏这些关键微环境；（3）植物细胞对自身天然产物及其中间体具有较高耐受性，而许多次生代谢产物可能对微生物底盘造成毒害作用，从而限制了其应用。这些优势使植物细胞在复杂天然产物的高效合成方面展现出了巨大的潜力。并且，在某些情况下，植物细胞中一些代谢物的积累滴度还能高于亲本植物。

调控元件决定了基因的表达模式与表达强度，主要包括启动子、5′和3′非编码区、终止子、增强子、转录因子、顺式作用元件等DNA序列和蛋白序列。在植物细胞体系中，通过将调控元件序列和报告基因构建成基本表达盒或简单遗传回路，转化到植物细胞中进行定量表征，可用于优化植物细胞中表达系统。例如，通过双荧光素酶报告系统（萤火虫荧光素酶/海肾荧光素酶），对不同植物启动子在BY2愈伤细胞中进行定量表征，可获得不同梯度强度的定量数据，用于精细控制蛋白表达水平和目标产物产量［85］。稳定的转基因植物细胞培养体系通常需要经过长时间的筛选过程，因此，将愈伤组织或悬浮细胞经酶解制备成原生质体是元件快速表征的一种高效替代方法。Ko Kato团队通过制备水稻（O. sativa）悬浮培养细胞、黑麦（Secale cereale L.）叶片和拟南芥（A. thaliana）悬浮细胞的原生质体，在三个体系中统一验证了15个5'UTR序列的增强子活性［86］。这种方法显著提升了元件表征效率，为调控元件在植物细胞中的应用提供了重要依据。

利用植物合成生物学技术能够突破植物合成能力的限制，让植物细胞得以合成原本无法产生的高附加值产物。例如，在胡萝卜愈伤组织细胞中异源表达六个拟南芥来源的苄基硫代葡萄糖苷生物合成途径基因，成功在细胞中实现了苄基硫代葡萄糖苷的积累，产量达到2.5 nmol/g FW［102］。

近年来，研究人员对植物细胞脱分化的分子作用机制有了更加深入地理解.因此，结合植物合成生物学技术，可以通过人为干预促进外植体脱分化形成愈伤组织细胞.WOX4、WOX5、PAT1、SIWIND1、AtWRKY23和bHLH041等，都被报道在愈伤组织细胞或干细胞的形成过程中发挥着重要作用［55-60］.通过在拟南芥（A. thaliana）中过表达PAT1，成功促进了愈伤组织细胞的增加［55］.通过对这些脱分化相关的关键基因靶点进行调控，可以提高愈伤细胞形成的效率和质量，甚至有望突破不同物种和外植体部位在诱导体系上的差异限制，开发出广谱的植物细胞诱发方法. ...