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范代娣:用胶原蛋白书写美丽人生

万色城岳家军2018-04-17 09:29:06

范代娣,1966年生,共产党员,西北大学化工学院副院长、教授、博士生导师,中国工业生化与分子生物学分会副理事长,陕西省生物化学与分子生物学学会副理事长,陕西省化工学会生物化工专业委员会主任委员。

  范代娣主持的“基因工程技术生产类人胶原蛋白”项目成果填补了国内外空白,技术水平达到国际领先地位。范代娣在国内外著名的学术刊物上发表学术论文100多篇,由化学工业出版社出版专著两部——《细胞培养及蛋白质工程》和《重组蛋白质分离与分析》;参编“十五”国家重点图书《微生物工程》,编写第一部第四章。1997年获霍英东教育基金会全国优秀青年教师奖,此外还入选国家七部委百千万人才工程,先后获得全国“三八”红旗手、陕西省第四届青年科技奖、陕西省“三五”工程人才、西北大学首批跨世纪人才等称号,承担并完成国家自然科学基金项目3项以及国家“十五”重大科技攻关计划项目、国家高技术产业化示范工程项目、国家“十一五”863计划项目等。 

  本报记者  马丰敏报道  

  爱美的时尚人士对胶原蛋白并不陌生,因为在其被大众知晓之初,就与美丽、健康关系密切。但是,直到20世纪末,世界各大公司还都只能从动物中提取胶原蛋白。普通提纯的动物胶原蛋白存在很大的风险,例如变性温度低,37℃-40℃的变性温度导致在使用中存放条件比较苛刻,容易变性引起功能丧失;动物提纯的胶原蛋白常为酸溶或碱溶,会改变人体本身的酸碱平衡度,而且动物胶原蛋白隐含动物本身存在的病毒等病毒隐患。

  2000年,西北大学化工学院教授范代娣以人体自身胶原蛋白的基因片段为来源,成功研制出与人体组织同宗同源的胶原蛋白——类人胶原蛋白。就是这项技术打破了胶原蛋白的传统行业格局,开创了胶原蛋白的全新时代。现在,范代娣正用胶原蛋白书写自己的美丽人生,开创大众的美丽事业。

  中国第一位生物化工博士

  当年高考填报志愿时,喜欢化学的范代娣报考了西北大学化工系。“当时也不知道化工和化学到底有什么区别,以为都是学化学的”。于是,懵懵懂懂地开始上课。范代娣说:“不过,入学后的第一堂专业认识课让我的心情跌到谷底。小时候下地干活,我就很不喜欢化肥味,老师说化工专业就是去化工厂生产化肥,当时别提多失望了。”

  “也不能换专业,农村出来的孩子退学重新考也不现实。”范代娣回忆说。当时全国上下都在宣传“21世纪是生物工程的世纪”,这引起了她极大的兴趣,她仿佛在沙漠里找到了前行的方向,在学习化工专业的同时,选修了大量生物学课程。4年后,她顺利考取西北大学生物化工方向的研究生,随后进入华东理工大学攻读博士学位,成为我国第一位生物化工博士。

  类人胶原蛋白问世

  1994年获得博士学位后,范代娣回到西北大学,选择胶原蛋白作为研究课题,并组建了类人胶原蛋白研发团队。

  范代娣清楚地记得,刚回到西北大学时的研究条件。“当时由于学校经费拮据,只给了5000元的科研启动金,没有完善的高压灭菌系统,没有符合研究要求的生物安全柜和净化环境进行细胞培养,没有真空冷冻干燥系统,甚至没有一台像样的多功能显微镜……”就是在这样的条件下,凭借“能吃苦,不娇气”的拼劲,范代娣开始了类人胶原蛋白的研发。

  面临人力、物力的匮乏,范代娣在学校和系领导的支持下,在各级科研主管部门的支持下,人员、经费方面的条件得以改善。研发过程复杂而精细,没日没夜的工作成了范代娣及其团队成员的家常便饭,实验室就是家,家就在实验室,类人胶原蛋白的研发过程倾注了整个团队的所有心血。

  苦心人,天不负。经过艰苦的努力,2000年年底,范代娣用基因工程技术高密度发酵生产的类人胶原蛋白问世。2001年,该技术获得国家发明专利,并申报国际PCT专利。

  让科技成果转化为生产力

  范代娣表示,胶原蛋白是重要的生物材料。然而,在类人胶原蛋白之前,国内外都是从动物器官组织中提取胶原蛋白,生产技术落后,而且因取材不同,完整结构的胶原蛋白价格差异较大,有的企业1克从鼠尾中提取的胶原蛋白能卖到9.3万美元,而且存在自身结构及性能的缺陷。

  范代娣对自己的研发成果感到自豪:“由于这种胶原蛋白的结构和特性与人体自身胶原蛋白非常类似,故称之为‘类人胶原蛋白’,它突破了传统动物胶原蛋白的限制,具有无病毒隐患、低排异反应、水溶性强、酸碱度为中性、变性温度提高、可加工性强、皮肤渗透性强等特性,可用于生物医药、组织工程材料、美容化妆品及保健品等行业。”

  技术上的突破并得到认可仅是走向成功的第一步,类人胶原蛋白的真正价值只有在市场上才能得以体现。“如果不进行产业化,类人胶原蛋白停留在实验室里无异于死路一条”。2000年,西北大学与西安巨子生物基因技术股份有限公司合作,开始了类人胶原蛋白的产业化,并先后与清华大学、西安交通大学、美国新泽西医学院等合作开展类人胶原蛋白系列人工骨、人工神经管、止血海绵、复合止血膜等项目的研发。

  范代娣表示,类人胶原蛋白的应用可以更有效地改变疾病治疗方式,例如以类人胶原蛋白为基础原料的人工骨;以类人胶原蛋白为基础,利用胶原蛋白趋向性引导和促细胞生长功能制成的人工血管;使用类人胶原蛋白制成的人工皮肤;以类人胶原蛋白为原料制成的止血海绵等。不仅如此,类人胶原蛋白在医学整形和美容化妆领域也具有广阔的应用前景

  谈及未来,范代娣说:“我还要继续类人胶原蛋白的研发,我注定要和它打一辈子交道。” 

  行业观察

  类人胶原蛋白

  “中国创造”将改变世界胶原蛋白行业格局

  本报记者  马丰敏报道  

  胶原蛋白是一种生物性高分子物质,广泛存在于人类及动物的细胞组织中,扮演结合组织的角色,是生物科技最重要的原材料之一,在医用材料、化妆品、保健品、食品工业等领域广泛应用。

  由于传统动物组织中提取的胶原蛋白固有的病毒隐患等致命缺点,胶原蛋白提取备受业界诟病。不过,现在一种新型的胶原蛋白——类人胶原蛋白的问世打破了这种局面。

  胶原蛋白行业的新突破

  1731年,世界胶原蛋白之父布兰特博士指出,“皮肤的衰老过程就是胶原蛋白的流失过程”。从此,人们开始寻找胶原蛋白的“神秘踪迹”,追寻留住青春的驻颜法,人类的美容史随之进入胶原蛋白时代。

  正因为胶原蛋白的“美丽”应用前景以及巨大的市场需求,在过去的近300年中,欧美发达国家发明了人工提取胶原蛋白技术,从动物器官组织中提取胶原蛋白,这种蛋白称为“动物胶原蛋白”。随着科学技术的发展,人们逐渐意识到从动物组织中提取的胶原蛋白存在排异性及病毒隐患等严重缺陷,于是一场胶原蛋白的技术革命在世界范围内悄然展开,世界各国争相研发胶原蛋白的生产技术。

  2000年,西北大学化工学院教授、博士生导师范代娣开发出一种最接近人类的胶原蛋白。由于这种胶原蛋白来源于人体组织,与人体同宗同源,所以科学家称之为“类人胶原蛋白”。类人胶原蛋白的诞生宣告人类的胶原蛋白发展步入一个新时代——“类人胶原蛋白”时代。

  类人胶原蛋白是我国自主研发成功的一种新型胶原蛋白,生产研发技术经评定达到“国际首创技术,世界领先水平”。类人胶原蛋白研究项目被国家发改委列入国家高技术产业化示范工程项目,被科技部列入国家“十五”重大科技攻关计划项目、国家863计划项目等重大科技创新项目。

  敢真正叫板的胶原蛋白

  类人胶原蛋白是一种高分子蛋白质,通过提取人类自身的胶原蛋白基因片断,运用基因重组技术,将基因中的mRNA逆转录成cDNA,经过体外修饰和特定重复,将其转入受体工程菌,以氨基酸、无机盐为营养物质进行培养繁殖,再通过高密度发酵、分离、纯化等生物工程技术,最终生成类人胶原蛋白。类人胶原蛋白具有三重复螺旋结构。

  据有关科学家介绍,类人胶原蛋白是运用工程菌培养、分离、纯化等国家专利技术创造出的一种高分子蛋白质,能够迅速渗透真皮层,被人体组织细胞很好地吸收。科学实验已经证实,类人胶原蛋白除具有普通胶原蛋白的功能外,还具有六大创新特性,能解决动物胶原蛋白的来源、吸收、排异三大难题。

  一是可加工性。动物胶原蛋白的结构为三交叉螺旋结构,不可能在不减少分子量的前提下重溶解,可加工性差。类人胶原蛋白可形成三重复螺旋结构,赋予它具有在分子量及特性不变条件下的可加工性,拓展了胶原蛋白的应用领域。

  二是水溶性。动物胶原蛋白不溶于水,只溶于酸或碱性溶液中。类人胶原蛋白可溶于水,在溶解过程中其三重复螺旋结构分解为单螺旋线性结构,进入皮肤后再自由重组,这种水溶性和特殊结构增强了其对皮肤的渗透性。

  三是无病毒隐患。来源于动物组织的胶原蛋白具有多种病毒隐患,一直是胶原蛋白研究领域的第一难题。类人胶原蛋白是单细胞蛋白,从根本上克服了病毒隐患。

  四是低排异反应。传统胶原蛋白存在人体排异现象,成为该研究领域的一大瓶颈。类人胶原蛋白与人体同宗同源,摒弃了容易引起免疫反应的氨基酸残基和肽端,因此过敏反应极低,在类人胶原蛋白进入人体后,与动物胶原蛋白相比免疫排异反应大大减少。

  五是酸碱度为中性。普通动物胶原蛋白呈强酸或强碱性,进入人体会破坏人体组织细胞酸碱平衡,影响新陈代谢。类人胶原蛋白的pH值为6.5-7.5,呈中性,不会破坏组织细胞本身的酸碱平衡,对人体细胞的粘附性和细胞代谢没有影响。

  六是变性温度提高。传统动物胶原蛋白的变性温度为37℃-40℃,性质改变,功能也会随之改变,起不到补充胶原蛋白的作用。类人胶原蛋白的变性温度达72℃以上,易于日常使用和长期保存。

  破局胶原蛋白市场

  根据北京GBX国际咨询最新发布的《2009-2012年中国胶原蛋白市场调研及投资咨询报告》,胶原蛋白产业将得到快速发展。随着消费需求的日益增长,化妆品、保健品、食品、医用材料对胶原蛋白的需求量日益增加,成为胶原蛋白需求量最大的4个领域。据统计,目前世界上应用胶原蛋白的化妆品占所有美容化妆品的20%-30%,并且在不断增长。此外还有政府的推动,科技进步促进胶原蛋白生产水平提高,胶原蛋白产业将迎来快速增长。

  上述报告提供的数据显示,胶原蛋白从20世纪末起呈现突飞猛进的发展。尤其在中国,今后几年胶原蛋白的市场需求将会以不低于20%的速度增长,到2012年胶原蛋白将会形成一个巨大的市场。

  类人胶原蛋白来源于人体组织,解决了以往普通动物胶原蛋白人工组织材料的排异性及病毒隐患问题,为世界生物医药等行业带来了巨大的变化和实际利益,让人们用上了更安全的人工组织材料,同时降低了人工组织器官的生产成本,增加了可供移植的组织器官的数量。由于其特殊的价值,类人胶原蛋白的需求必将呈现快速增长,现有的行业格局将发生明显变化。

类人胶原蛋白的优势

对比项目                        动物胶原蛋白                  类人胶原蛋白

生产方法                        动物组织提取                  基因工程菌培养

来源                              动物组织                      人体组织

主要成分                        单一成分:胶原蛋白            单一成分:类人胶原蛋白

结构                            三交叉螺旋                    三重复螺旋

水溶性                          不溶于水                      溶于水

排异反应、病毒隐患              有                            无  

护肤方面的功效                  无法应用                      功效很好

保健品方面的功效                有一定功效                    有一定功效

组织工程、生物材料方面的应用    应用很少,缺点明显            非常适合该领域应用

可加工性                        较差                          强  

变性温度                        37℃-40℃                72℃以上,性能稳定

酸碱度                          呈酸性,会破坏细胞酸碱平衡    pH值为6.5-7.5,中性,不破坏细胞酸碱平衡

      小知识

  补充胶原蛋白的传统方法真能给青春加“氧”吗?

  补充胶原蛋白的最普通方法是通过食物获取。牛蹄筋、猪蹄、鸡翅、鸡皮、鱼皮及软骨这些含胶质的食物都含有胶原蛋白,多吃这类食物可以在一定程度上补充胶原蛋白。但是这些普通食物中的胶原蛋白都是大分子蛋白质,并不能被人体直接吸收,用这种方法效果不会太明显。

  获取胶原蛋白的另外一种方法是人工提取。由于通过食物获取的胶原蛋白不易吸收等原因,人们开始从动物体内人工提取胶原蛋白,做成人体容易吸收的小分子,然后外用做面膜或者口服。随着科技的进步,工艺不断革新,这类提取产品越来越容易被人体吸收。

  这类胶原蛋白又有很多种。食用提纯的胶原蛋白(无论是从鱼身上提取的还是从牛身上提取的,无论是寡肽的还是多肽的),提取的材料存在很大的风险。普通提纯的动物胶原蛋白存在一些风险:一是变性温度低——37℃-40℃,人们发烧或晒太阳后即会变性;二是动物提纯胶原蛋白常为酸溶或碱溶,会改变人体本身的酸碱平衡度;三是动物胶原蛋白隐含动物本身存在的病毒被转移到人体的概率增加。人们在补充胶原蛋白为美丽加分的时候,要认认真真地思考。

  类人胶原蛋白杜绝三大“美丽”风险

  类人胶原蛋白可以杜绝传统胶原蛋白的三大风险。首先,杜绝来源的风险。传统动物组织中胶原蛋白固有的病毒隐患一直是世界胶原蛋白研究领域的难题,直接限制了其用途的开发和普及。类人胶原蛋白是世界上第一个人类自己的胶原蛋白,第一个非动物、非化学溶解的胶原蛋白,来自人体自身的胶原蛋白基因,可以规避病毒风险。

  其次,提高吸收效率。研究表明,传统动物及溶制胶原蛋白的三交叉螺旋结构几乎不可能在不减少分子量的前提下重溶解,直接影响皮肤渗透和吸收,真正被人体吸收的完整胶原蛋白不到1/4。结构决定功能,类人胶原蛋白的结构赋予它具有在分子量及特性不变条件下的可加工性,能够直达真皮层,是自由分解重组的完整胶原蛋白。

  第三,消灭排异现象。传统胶原蛋白存在人体排异现象,这一直是研究领域的一大瓶颈,排异所引起的诸多病症使这项伟大发明处于让人们“既爱又恨”的尴尬境地。类人胶原蛋白与人体同宗同源,是人类最亲的胶原蛋白,又在修饰基因片断过程中将胶原蛋白两端的免疫源端肽切除,摒弃了容易引起免疫反应的氨基酸残基,进入人体后,其免疫排异反应已大大减少。