分子農業

分子農業可定義為:以利用重組或轉基因動物與植物為基礎,大規模生產出稀有的和高價值的產品的農業。

分子農業屬於轉基因工程的範疇，可細分為動物分子農業與植物分子農業。

由於分子農業目前在醫藥抗體等方面迅速發展,因此也有稱生物藥業的,還有稱農業藥業或製藥業的,但多數意見還是贊成稱之為分子農業,即利用農業生產廉價的診斷蛋白質和醫療蛋白質以取代利用微生物發酵技術生產這些物質。

基本介紹

• 中文名：分子農業
• 外文名：Pharming (genetics)
• 興起時間：20世紀末期
• 隸屬學科：轉基因工程

一、分子農業的概念

分子農業可定義為:以利用重組或轉基因動植物為基礎,大規模生產出稀有的和高價值的產品的農業。由於分子農業目前在醫藥抗體等方面迅速發展,因此也有稱生物藥業的,還有稱農業藥業或製藥業的,但多數意見還是贊成稱之為分子農業,即利用農業生產廉價的診斷蛋白質和醫療蛋白質以取代利用微生物發酵技術生產這些物質。

加拿大食品檢驗局對植物分子農業做出的定義是:“使用農業植物生產生物分子而不是食品、飼料和纖維。植入新型特性的植物可以生產出科學、醫學、工業等領域都十分需要的生物分子;這種植物的種植方法與其它作物一樣,只是收穫的目的是獲取生物分子。”

同樣，也可類推出動物分子農業的定義：使用農業動物生產生物分子而不是食品、飼料和皮革。植入新型特性的動物可以生產出科學、醫學、工業等領域都十分需要的生物分子;這種動物的養殖方法與其它動物一樣,只是收穫的目的是獲取生物分子。

在談到分子農業時，不得不說到基因工程。在利用動植物生產人們需要的生物分子時，常常使用轉基因技術，以此獲得針對性更強的目的生物分子。可以認為，分子農業屬於基因工程的一部分，因為我們談論的分子農業幾乎都涉及轉基因技術。

在談到生產生物分子時，不得不提到另外一種方法，利用細菌、酵母等微生物生產生物分子。相比於利用細菌、酵母等的生產方式，分子農業中使用動植物為基體生產，不需要昂貴的基礎設施實驗器材，大大節省了生產成本。而且它的生產速度快，產能能夠滿足人們的需求。

二、分子農業的發展歷史

第一例植物重組蛋白是人類血清蛋白，最初於1990年產生於轉基因西紅柿和轉基因土豆植株。在美國，開放的作物大田種植試驗開始於1992年並且從那時起逐年遞增。雖然美國農業部同意在各個州進行分子農業作物的種植，但是主要的種植集中在夏威夷、內布拉斯加州、愛荷華州、和威斯康辛州。

在21世紀初，分子農業發展還很不完善。關於治療學上的蛋白質的概念驗證開始創立，包括抗體、血液蛋白、細胞激素、生長因子、荷爾蒙、重組酶以及人類與動物疫苗。在2003年200多家生物技術公司發展著少數幾個治療人類疾病的植物重組蛋白產品，包括治療囊包性纖維症的重組胃部脂肪酶、預防齲齒的抗體、以及治療非霍奇金淋巴瘤的產品。

主要由Sigma-Aldrich公司生產的幾種蛋白質投放市場用作研究與生物產品試劑。ProdiGene公司抨擊Sigma公司分配由ProdiGene公司生產的抑肽酶、胰蛋白酶、β-葡萄糖醛酸酶以及卵白素的做法。Large Scale Biology公司以及Sigma公司同意Sigma公司分配LSBC公司的“西紅柿生產抑肽酶”。Sigma公司也同意去分配Ventria公司的“水稻生產乳鐵蛋白”與“水稻生產溶解酵素”。

然而，在2002年末，正當ProdiGene公司用作商業試水的胰蛋白酶產能提升時，它被發現先前種植的轉基因試驗穀物植物與後來種植的普通大豆作物在田地里一塊收穫。ProdiGene公司被美國農業部罰款250000美元，並支付300萬美元用作清除工作。這件事引起大眾激怒並戲劇性地使分子農業進程倒退。作為回應，APHIS於2003年在美國的分子農業試驗領域引進更多嚴厲的規則。在2005年，Anheuser-Busch揚言聯合抵制密蘇里州的水稻種植，因為Ventria Bioscience 要種植分子農業水稻。最後達成妥協，但是由於不確定的因素，Ventria Bioscience 公司放棄在密蘇里州的種植許可證。

分子農業領域恢復緩慢，主要聚焦於在生物反應器中培養簡單的植物以及在溫室中培養轉基因生物。一些公司與學術機構繼續在開放的大田進行生產藥物的轉基因作物的種植試驗。在2006年， Dow AgroSciences公司收到美國農業部的批准，將抵抗家禽Newcastel疾病的疫苗投放市場。這是美國首例批准的由植物生產的疫苗，它通過植物細胞組織培養的方法得到。

三、分子農業近況

(一）利用哺乳動物動物生產生物分子

一些傳統用作食物生產的哺乳動物（例如山羊、綿羊、豬、奶牛）經過基因修飾後生產非食物性產品，這就是我們所說的分子農業。在2009年2月，美國食品與藥品管理局對第一例由轉基因家畜生產的藥物授予市場許可證。這種藥物叫作ATryn,是從轉基因山羊乳汁中提取的抗凝血酶蛋白。這種“將動物通過轉基因而變成藥品生產機器”而生產的產品有時也稱為生物製藥。

分子農業的一個技術方法是創造可以在乳汁（或者血液、尿液）中生產生物分子的轉基因生物。當這種用典型的原核顯微鏡注射的方法創造出來的動物產生時，再使用克隆技術生產更多攜帶相同基因組的後代是很有效率的方法。

乳汁生產是目前從轉基因生物體中生產重組蛋白最成熟的體系。血液、蛋白、精漿以及尿液是其他理論上可行的方法，但是都有缺點。例如血液，截止於2012年，它不能儲存高水平的穩定重組蛋白，而且血液中的生物活性蛋白可能會改變動物的健康狀況。重組蛋白在乳汁中的表達，例如奶牛、綿陽、山羊，這是一個普通的程式，而且乳汁中的重組蛋白產量豐富、提純容易。由於繁育快，倉鼠和兔子也開始用於初步的研究。

（二）利用植物生產生物分子

植物分子農業是轉基因植物生物技術工業的子部門，利用轉基因植物可以生產特定種類有療效的重要蛋白質及其如縮氨酸、次生代謝物等衍生物。蛋白質及衍生物可以被收集，用作藥物生產的原料。

近來，一些非作物植物，例如浮萍與小立碗蘚，在生物製藥中顯示出優勢。這些簡單的生物可以在生物反應器中培養（相對於大田種植），它們會在生產過程中分泌轉換蛋白體。於是，實質上減少了用作醫用的重組蛋白的提純負擔。Biolex Therapeutics公司開發了基於浮萍的表達平台，並將此技術出售給Synthon公司。Biolex Therapeutics公司在2012年宣告破產。

此外，一家以色列的公司，Protalix，開發了基於轉基因胡蘿蔔細胞和土豆細胞的藥物生產方法。Protalix公司與他的合夥公司Pfizer，在2012年獲得了美國食品與藥品局對Taliglucerase alfa (Elelyso)的生產許可，這是一種治療高雪氏症的藥物。

擬南芥常常作為模式有機體研究植物基因表達，然而實際生產可能是由玉米、水稻、土豆、西紅柿、亞麻、紅花等完成。水稻與亞麻的優點在於自花傳粉，因此基因交換的問題就被杜絕了。然而，人類的錯誤仍然可以導致藥用作物進入食物鏈條。使用諸如紅花、菸草等次要作物可以阻止更大的政治壓力以及使用諸如大豆與水稻這類主要作物而產生的食物供應風險。

（三）關於分子農業的專利問題

由於分子農業生產的生物製藥的專利以及製造的過程是不確定的。可能的情況是，這種生物製藥的生產未經授權，它們與被模仿的藥物在化學成分上完全一樣。19世紀聯邦最高法院的幾個判決中支持通過人造的方法生產先前已知的自然產品無法申請專利，於是由生物製藥生產過程中的專利問題而引起的爭論產生了。

（四）分子農業行業規範

基因工程的規範涉及政府對轉基因作物發展與面世的風險的評估與管理。包括生產藥物的植物在內，國際上對轉基因作物的規範有很大的差異，最明顯的差異表現在美國與歐洲間。某個國家的規範變化取決於基因工程的產品用途。例如，出於對食品安全負責，作為食物用途的轉基因作物會受到政府的嚴格審批。

四、分子農業的優勢與擔憂

（一）優勢

植物不會攜帶可能對人類健康有危害的病菌。此外，從藥理學的活性蛋白水平上看，所有的植物的原生蛋白質與人類的都不同。另一方面，植物與人類及動物緊密相連，植物能生產並組裝人類及動物蛋白。植物的種子與果實可以為有價值的藥物分子提供無菌包裝並且保持內容物的活性。

全世界對分子藥物的需求處於空前高漲的水平。分子農業可以擴大已存在的微生物系統，雖然一些可行的治療產品在某些領域並不是讓人滿意的選擇。利用微生物系統或化工合成方法生產許多人們感興趣的蛋白質實在太複雜了。現在這些蛋白質正從動物細胞培養物中生產，但是對許多病人來說目標產品的價格還是過於昂貴。出於這些原因，科學界探索著生產擁有治療學上意義的蛋白質的其他方法。

這些藥用作物對開發中國家極其有利。世界衛生組織估計每年近300萬人死於疫苗可預防的疾病，大多數死亡發生在非洲。像麻疹與肝炎這樣的疾病導致死亡的現象常常發生在人們付不起昂貴的疫苗費的國家，但是藥用植物可以幫助解決這個問題。

（二）擔憂

雖然分子農業是基因工程的一個套用，但是關注點很獨特。在轉基因食物上，關注點集中於人們消費的食物的健康性。與此對應，有人提出基因修改在某些方面提高了作物的品質，比如說抗旱能力與抵抗殺蟲劑的能力，並不會影響食物本身。其他發展中的轉基因食物，比如說被設計為成熟更快長得更大的水果，對人們的影響被認為與非轉基因品種沒有任何不同。

與此相反，分子農業並沒有打算讓作物進入食物鏈。分子農業生產出包含生理活性的混合物的植物，活性物質積累在植物的組織中。主要的關注集中於此，那就是，為了保護消費者健康與環境生物多樣性而對分子農業的抑制與謹慎的必要性。

利用植物生產藥物的事實讓活躍人士很驚慌。他們擔心一旦生產開始，這些基因修改過的植物就會進入食物鏈或者與非轉基因的普通食物交叉授粉。這些擔心有歷史的驗證，如ProdiGene公司事件，如StarLink公司事件，結果以轉基因玉米意外地成為商業食物產品結束。活躍人士也擔心商業化的力量。根據加拿大食品檢查局的一份報告，美國對生物製藥的需求每年擴大13%，2004年市場價值達到286億美元，預估全球生物製藥產業於2020年達到1000億美元。

五、發起者及項目產品

注意：此列表不完全，詳細請看參考資料（底部連結）。

·Dow AgroSciences——對抗Newcastle疾病病毒的家禽疫苗（第一個被美國農業部批准進入市場的獸醫生物製品）“Dow公司從來沒打算將這種疫苗市場化。Dow公司使用這種動物疫苗作為完成實驗的例子。一個新的平台需要被證明。政府第一次接觸疫苗對公司來說是一件難事”植物生理學家Stefan Schillberg解釋說。Stefan Schillberg是Fraunhofer分子生物與套用生態公司分子生物部門首席科學家。

·Fraunhofer分子生物與套用生態公司——分布於德國、美國、智利，它是藥用植物聯合會（Pharma Planta）的領導公司。藥用植物聯合會由歐盟委員會建立，33個成員來自歐洲的12個國家與南非。藥用植物聯合會正在發展在歐洲主導下於溫室中生產植物蛋白的系統。藥用植物聯合會正在與Plantform公司以及PharmaPraxis公司在分子藥物領域合作。

·Genzyme公司——山羊奶中的抗凝血酶3

·GTC Biotherapeutics公司——ATryn（重組人類抗凝血酶），在山羊奶中生產。

·Icon Genetics公司——在短期感染的本氏菸草植物中生產藥物。生產地點是德國哈雷的溫室或大田。第一款產品是治療非霍奇金淋巴瘤的疫苗。

·愛荷華州立大學——從無花粉型玉米中生產的免疫蛋白，對抗E. coli細菌，可能會用作人或動物對抗E. coli細菌的疫苗。