高效家蚕丝腺生物反应器与蚕丝遗传改良创新研究

Over the 5000 years of domestication, silk gland of silkworm Bombyx. mori possessed the huge ability for synthesis and secretion of silk proteins, making it to be an ideal mode organ for bioreactor. Exploring the use of silk gland to massively produce the pharmaceutical proteins with high value will enhance the economic value of silkworm spun silk and promote the silk industry revitalization. This project is intended to lunch the innovation research for highly efficient silk gland bioreactor and genetically engineering silk material of silkworm Bombyx. mori by recombinant expression of human acidic fibroblast growth factor gene (haFGF) with a wide range of biological functions and clinical use in silk gland of transgenic silkworm using our previously established highly efficient transgenic expression system. First, the project will generate a transgenic silkworm silk, which can synthesize the haFGF in its silk gland to secrete it into the silk. Then, a strategy of the piggyBac transposase induced transgene re-transposition in silkworm genome will be used to improve the expression efficiency of haFGF in transgenic silkworm. On this basis, the project will try to purify the recombinant haFGF from the transgenic silk, and investigate its bioactivity to explore the feasibility of silk gland for large-scale expression of haFGF with biological activity. Furthermore, the project will carry out the genetic modification of the applied silkworm spun silk by recombinant expression of the haFGF in its sericin layer to expand the applications of silkworm spun silk in the medical field. Through the implementation of this project, it is expected to provide a theoretical basis and technical guidance for the innovative research of silk gland bioreactor and development of silk material.

家蚕经过长达五千年的人工驯化，其丝腺具备强大的丝蛋白合成与分泌能力，是理想的生物反应器模式器官。探索利用家蚕丝腺大规模生产高附加值药用蛋白，对提升蚕丝经济价值和振兴蚕丝产业具有重要意义。本项目拟以具有广泛生物学功能和临床医学用途的人酸性成纤维细胞生长因子基因（haFGF）为靶标，利用高效的家蚕转基因表达系统，开展家蚕丝腺生物反应器与蚕丝素材创新研究。项目首先将建立可在丝腺合成并分泌haFGF到蚕丝中的转基因家蚕，再通过转座酶促再次转座策略提高haFGF的表达效率。一方面，对蚕丝中haFGF重组蛋白进行分离纯化以及蛋白活性检测，探索利用转基因家蚕丝腺大规模表达具有生物活性的haFGF的可行性。另一方面，以haFGF为靶标对家蚕实用型品种进行蚕丝遗传改良，拓展其在医疗领域的应用。通过本研究，有望为家蚕丝腺生物反应器的发展和蚕丝素材创新研究提供理论依据和技术指导。

家蚕经过长期人工驯化，其丝腺具备强大的丝蛋白合成与分泌能力，是理想的生物反应器模式器官，利用家蚕丝腺大规模生产高附加值药用蛋白，对提升蚕丝经济价值和振兴蚕丝产业具有重要意义。本项目以人酸性成纤维细胞生长因子基因(haFGF)为靶标，利用高效的家蚕转基因表达系统，开展家蚕丝腺生物反应器与蚕丝素材创新研究。自立项以来，课题组紧紧围绕项目制定的研究计划开展各项研究工作，取得如下成果：一、建立在丝腺合成并分泌haFGF到蚕丝中的转基因家蚕，并通过转座酶促再次转座策略提高haFGF的表达效率，使haFGF的含量最高占到蚕茧溶出总蛋白的26%，并获得可稳定遗传的haFGF转基因家蚕素材品系，实现haFGF重组蛋白的高效低成本生产；二、建立蚕丝中haFGF重组蛋白的分离纯化技术，获得毫克级高纯度的haFGF重组蛋白，通过细胞水实验证实haFGF具有促进细胞增殖的生物活性，表明家蚕丝腺生物反应器具备重组表达具有天然生物活性外源蛋白的能力及应用潜力；三、对蚕丝进行遗传改良建立新型haFGF重组蚕丝，通过细胞学研究证实haFGF重组蚕丝具备缓释haFGF以及促进细胞增殖的能力，为蚕丝遗传的遗传改良奠定了技术基础；四、利用haFGF重组蚕丝制备haFGF医用蚕丝水凝胶生物材料，该材料具有典型多孔显微结构、生物相容性、无免疫原性及可注射等特性；研究表明丝胶蛋白可提高FGF1因子在不同温度下的热稳定性，以保持FGF1的长期稳定性，并能实现FGF1从凝胶材料中的可持续释放，以促进细胞增殖和伤口愈合。揭示FGF1功能化丝蛋白水凝胶未来有望作为一种新型生物材料应用于组织工程和医学再生领域，并为外源蛋白功能化蚕丝基生物材料的遗传改良与分子设计提供了新策略。