叶绿体基因组（叶酶）

上篇文章简要概述了叶绿体的身世。有兴趣的朋友可以去我的主页查看《叶绿体的作用远超你的想象，它是未来农业革命的曙光！（身世）》这篇文章。我们了解到叶绿体起源于真核细胞内吞蓝藻，然后经长期进化演变成现在的叶绿体。它有一套属于自己的DNA，上面编码了很多基因。因此，叶绿体拥有了一定的自主权，可以按照自己的需求去表达一些基因。正因为叶绿体的这个特性，叶绿体基因工程就应运而生了。所谓叶绿体基因工程，是以叶绿体为载体，让叶绿体来表达我们感兴趣的基因。叶绿体基因工程的优势在哪，与传统基因工程相比有哪些特殊的应用价值呢？

传统的基因工程大多是将我们的目的基因插入到植物的核基因组内。因为细胞内是含有一个细胞核，一套染色体，所以目的基因在导入后的表达量一般不是很高。比如，抗虫BT蛋白基因在植物体内的表达一般比较低，这样就很容易造成耐受性，起不到很好的抗虫效果。更重要的，由于外源基因插入在核基因组，可以随着生殖细胞传递。比如，外源基因可以通过花粉向外界传递，对生态环境造成严重威胁。

相反，叶绿体基因工程操作的对象是叶绿体基因组。一个叶肉细胞含有数十个叶绿体，如果成功地将目的基因导入到叶绿体中，目的基因的表达量将会比导入细胞核的增加数十倍。不仅如此，叶绿体上的基因信息只能通过母体遗传，不能通过花粉传递，大大降低了对生态环境的威胁。

酶是一种蛋白质，具有非常高的催化作用。从食品饮料的加工到动植物的饲料肥料，就连我们日常用的洗衣粉中都含有酶。可以说酶已经应用于我们日常生活的方方面面。据统计，2018年全球酶的市场价值到达110亿美元，并且在持续攀升中。

目前，我们所用的酶都是通过工业发酵而来。这一过程技术要求复杂且昂贵，不仅需要建立发酵设施还要不厌其烦地保持无污染的环境。另外从宿主细胞中纯化酶及其制剂也非常耗时并且昂贵。因此，人们就想到利用叶绿体来表达这些酶。因为叶绿体在叶片中含量极为丰富，不用担心产量不够。而且，叶片酶可以加工成冻干的植物粉末进行储存而不丧失酶的活性。这样大大的节约人力和物力。不仅如此，在传统的发酵过程中，由于微生物的生活特性，会产生大量的二氧化碳及一些有毒气体，而这些在叶酶生产过程中都会被避免。所以，叶酶是以后生产酶类的一个重要趋势。当前，已经有二十余种酶通过叶绿体成功表达并进入商业化。

叶绿体不仅可以用来生产酶，还能生产蛋白药物。例如，胰岛素他的本质是蛋白质，同样可以利用叶绿体进行表达。但是，科学家们用叶绿体表达蛋白质药物还有更深层次的理由。通常情况下，蛋白质只能注射不能口服，因为蛋白质在胃酸的作用下会被降解失去原有的活性，失去治疗作用。但最新研究发现，我们的胃不能很好的降解植物细胞壁。如果利用叶绿体表达蛋白药物，这些药物就存储在植物细胞内，躲过胃酸的降解。当进入肠道后，肠道微生物群可以降解植物细胞壁并将细胞内的蛋白药物释放出来，然后被人体吸收。如此，原本昂贵的注射剂就可以通过吃一种特异表达某种蛋白药的叶片来解决，不仅费用大大降低，还能免去打针的痛苦，真是一举多得。目前这一设想已经在动物实验中得到验证，正逐步向临床走近。