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利用家蠶作為生物反應器生產基因工程蛋白

苗栗區農業改良場 廖久薰˙吳登楨
中央研究院分子生物研究所 趙裕展

一、前 言

  家蠶是有價值的經濟昆蟲之一,傳統養蠶主要作為蠶絲衣料用,為一勞力密集之產業,在台灣已不具競爭優勢,但可設法轉型朝生物技術的方向發展,開發新用途及提高養蠶附加價值。

  生物技術成熟發展以來,常見以動物作為生物反應器,主要有哺乳動物及昆蟲兩大類,昆蟲家族中又以家蠶最重要,由於(一)家蠶桿狀病毒具專一性,只感染家蠶,不會影響其他昆蟲。(二)桿狀病毒對人類完全無毒害。(三)家蠶是完全被馴化的昆蟲,無法在野外自行生存,蠶蛾不會飛行,無飛逃之疑,因此不會有基因外逸(gene flow)問題。(四)家蠶蟲體大、發育快、飼養容易、外源蛋白產量高(1-5mg/1隻)。(五)家蠶為高等動物,所生產的蛋白質活性比利用原核生物,如細菌、酵母菌所生產之活性高。(六)以家蠶作為反應器比傳統發酵槽投資設備低,不必高級工程師操作,亦無工業排放污染問題。(七)台灣氣候高溫多濕,桑樹發育良好冬季休眠期甚短,幾乎全年均可養蠶,符合工業量產的需求。(八)農委會苗栗區農業改良場擁有優良的蠶種、養蠶技術經驗及研發人才,可協助業者快速建立養蠶基地,提升競爭力。因此,在台灣以家蠶來生產外源蛋白將是有相當優勢及發展潛力的,況且歐美國家沒養蠶業,也較無競爭。

             圖1 以桿狀病毒(左圖)為載體,家蠶(右圖)為寄主,高效率生產基因工程蛋白         圖1 以桿狀病毒(左圖)為載體,家蠶(右圖)為寄主,高效率生產基因工程蛋白
圖1 以桿狀病毒(左圖)為載體,家蠶(右圖)為寄主,高效率生產基因工程蛋白

二、目前研究概況

(一)家蠶膿病核多角體桿狀病菌之運用

  家蠶膿病是養蠶常發生的病害之一,係由家蠶核多角體桿狀病毒(Bombyx mori nuclear polyhedrosis virus, BmNPV)感染所引起的,一旦遭受病毒感染後,蠶體會產生大量的多角體病毒顆粒,此多角體病毒顆粒的產生係在病毒感染末期多角體蛋白基因被啟動,生產多角體蛋白來包埋保護病毒粒子,使其能在蟲與蟲之間成功的交互感染,達到病毒的擴散繁衍,以其啟動子所製造外源蛋白之量,可高達感染細胞之20﹪以上(視不同蛋白而定),在短短感染數天內即可以製出如此大量的蛋白產物,可見其控制基因的啟動子是強而有力的。因此,日本學者Maeda et al.(1985)首先以BmNPV銜接外來基因,成功生產人類α-干擾素(α-interferon),並可以得到5x107 units(~50μg)的高產量。另外,草魚的生長激素、人類β-干擾素、B型肝炎表面抗原、水母綠螢光基因的表現、IgG2A抗體生產等,均有成功的報導。

(二)家蠶生產外源蛋白重組家蠶桿狀病毒之構築

  將外源蛋白基因片段置換桿狀病毒表現載體之多角體蛋白的轉錄區域,再和野生型病毒以共轉移方式完成重組病毒。將重組病毒感染熟齡蠶體,於感染後第4日收取體液進行分析。結果可在家蠶蠶體表現綠螢光蛋白(圖2)及豬乳鐵蛋白(圖3)。目前已完成基因轉殖的種類有:綠螢光蛋白、豬乳鐵蛋白、植酸酶﹛B蜜蜂apisimin等。

圖2 家蠶表現綠螢光蛋白的情形



圖3 以家蠶生產乳鐵蛋白       圖3  以家蠶生產乳鐵蛋白

(三)不同家蠶品系生產外源蛋白

  為了解外源蛋白在家蠶體內產出及含量變化情形,經試驗以感染含水母綠螢光基因重組病毒當作標識,注射或餵食發現感染的家蠶於感染後第48小時始可偵測綠螢光蛋白,直至感染後100小時,綠螢光蛋白大量累積,此為外源蛋白最佳收穫時期。

  由於不同家蠶品種(系)對核多角體桿狀病毒的感染力及感病後的生長發育均不同,將影響其外源蛋白的產出量,初步將苗栗區農業改良場所保育的家蠶種原進行篩選比較,結果顯示多數家蠶品種(系)均可產出綠螢光蛋白,產出量蠶品系間差異可達10倍之多。因此,篩選高產品系,可供將來大量生產之用,以增加生產效率。

三、展望

  目前試驗證實利用家蠶蠶體作為生物反應器,可產出具豬乳鐵蛋白、水母綠螢光蛋白及蜂王漿成份apisimin等蛋白產物。中研院及苗栗區農業改良場合作團隊將繼續朝此方向發展,積極開發利用家蠶作為生物反應器,以桿狀病毒為載體的高效率外源蛋白生產產業,發展台灣蠶業第二春。此系統可做為產生飼料添加物、動物及人類疫苗、醫學治療蛋白或檢測試劑之主要成份,也可生產工業酵素。因此,此系統或可成為一個最有效率而經濟的蛋白生產平台,對國內生物科技之發展有重要貢獻。

  

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