Вы здесь

Использование клеточных культур в биотехнологическом производстве

Средняя: 3 (2 оценок)
культура тканей растений

Веками мир растений служил основным источником химических соединений, в частности биологически активных веществ и пищевых добавок. В последние десятилетия возник интерес к растениям как к источникам химических соединений с высокой биологической активностью. В связи с истощением запасов природного растительного сырья альтернативным источником биологически активных соединений растительного происхождения могут являться культивируемые в условиях in vitro клетки и ткани растений [4, 9, 20, 23, 89, 90, 107, 113, 121, 167]. Основными причинами, по которым клеточные культуры растений часто рассматриваются как альтернативный источник природных соединений, являются:

  • изолированность от различных факторов окружающей среды, включая климатические условия, географические и вегетационные ограничения,
  • отсутствие влияния различных вредителей, гербицидов и других пестицидов и полютантов;
  • четкость систем производства, выпускающих необходимые продукты в заданные сроки и в нужных количествах, обеспечивая, таким образом, строгий контроль над поставками на рынок;
  • высокий выход и качество продукции, по сравнению с природным источником;
  • сокращение площадей, используемых под сельскохозяйственные культуры.

Термин “вторичные метаболиты” подразумевает компоненты клетки, не являющиеся необходимыми для ее выживания. К ним не относятся простые вещества типа сахаров и их производных, а также аминокислоты, входящие в состав белков [167].

К химическим веществам растительного происхождения можно отнести высокоочищенные соединения, такие как многие лекарственные вещества, смеси различного состава, пищевые и косметические добавки, сложные суммарные продукты типа какао-масла или махорки. Сложность химического состава многих продуктов не позволяет синтезировать их химическим путем. Предпринимаемые попытки синтеза растительных веществ путем химического синтеза не всегда успешны, поскольку лимитированы низким выходом продукта, высокой себестоимостью, сложностью химических реакций или требованиями высокой чистоты одного из изомеров в общей смеси. В большинстве случаев синтез таких соединений в интактном растении оказывается более эффективным [8, 59, 115].

Спектр синтезируемых веществ при использовании метода культуры клеток растений чрезвычайно широк. К таким веществам относят:

  1. Лекарственные препараты. Не менее 25 % всех выписываемых лекарственных средств, начиная от витаминов и заканчивая веществами с противоопухолевым действием, до сих пор являются веществами растительного происхождения [110]. К лекарственным средствам относят также наркотики, например, морфий (в строго контролируемых количествах), стимуляторы, например, кофеин и связанный с ним теобромин, которые широко используются в виде напитков кофе и чая. Наконец, к лекарственным средствам относятся яды, использующиеся в медицине (например, яд кураре применяют при операциях на сердце для обездвиживания грудной клетки), и в немного более высоких концентрациях как отравляющие вещества, приводящие к асфиксии. Именно эта область применения биотехнологического производства является наиболее конкурентно способной и приносит наибольшую коммерческую выгоду [107, 167, 234].
  2. Пестициды, применяемые в сельском хозяйстве. Наиболее известными веществами этой группы являются пиретроиды из цветков Chrysanthemum cinerariaefolium Vis., которые, кроме эффективного воздействия, не вызывают устойчивости у вредителей [209].
  3. “Тонкие химические соединения” – общее название веществ, применяемых в качестве добавок для духов, а также вкусовые и ароматические вещества, пищевые красители, используемые в пищевой и парфюмерной промышленности (к ним принадлежат вещества терпеновой или фенольной природы) [167].

Культуру клеток растений можно использовать для получения природных веществ растительного происхождения, по крайней мере, четырьмя основными способами:

  1. создавать новые пути синтеза уже известных веществ, например кофеина, хинина, пиретроидов [209];
  2. синтезировать новые продукты из тех растений, которые трудно выращивать или внедрять, например, тебаин из Papaver bracteatum Lindl., морфин из мака снотворного [87, 88, 105, 197];
  3. использовать культуры клеток, как источник совершенно новых веществ, например, рутакультина из культур Ruta, или N-мето соли кариахина из культуры тканей Cryptocarpa sp. [81, 115];
  4. применять культуры клеток в качестве систем для биотрансформации: как самого процесса с получением конечного продукта, так и отдельного звена химического процесса, например, при синтезе дигоксина, таксола [237].

В настоящее время накоплено достаточно фактов синтеза веществ вторичного метаболизма в культуре тканей in vitro. Ниже перечислены вещества, синтез которых в культуре тканей и клеток считается доказанным: алкалоиды, аллергены, антрахиноны, антилейкемические вещества, антиопухолевые вещества, антивирусные вещества, ароматические вещества. Это – белки, бензохиноны, витамины, инсектициды, углеводы (включая полисахариды), каучук, сердечные гликозиды, стероиды и их производные, танины, терпены и терпеноиды, ферменты, фенолы, флавоноиды, флавоны, фуранокумарины, вкусовые добавки, гормоны, хальконы, нуклеотиды, органические кислоты, отдушки, пептиды, липиды, масла, наркотики, нафтохиноны, нуклеиновые кислоты, пигменты, регуляторы роста растений, сахара, диантроны и ингибиторы ферментов [8, 12, 25-27, 30, 32, 44, 52, 54, 57, 65-66, 68-71, 78-79, 82-84, 86, 89-90, 94, 107, 113, 121, 123-124, 127-128, 140, 144, 155, 157, 159-160, 169, 171, 174, 179, 185, 188, 194-196, 199-201, 204, 207, 211-213, 215-216, 224, 226-228, 233-235, 237-238, 240-242, 245-249, 251].

В связи с этим, следует отметить, что круг перечисленных соединений, синтезируемый в культурах клеток, свидетельствует об огромном синтетическом потенциале и разнообразии вторичного метаболизма в мире растений, однако лишь немногие из них пригодны для использования в промышленности [167]. Несмотря на данное предположение, на сегодняшний момент существует достаточно большое количество сведений о введении в промышленное производство культур клеток – продуцентов вторичных метаболитов [114, 211, 226, 247].

Особый интерес при этом вызывают клеточные популяции, выращиваемые в режиме глубинного культивирования. В суспензионных культурах отмечается способность клеток как к продукции, так и к выделению вторичных метаболитов в питательную среду в количествах не только равных, но и превышающих содержание их в интактных растениях. Подобная зависимость наблюдается в культуре клеток Catharanthus roseus (L.) G. Don, а также многих других культурах клеток растений: в клеточной культуре MorindacitrifoliaL., CoffeaarabicaL. [207, 213, 240], суспензионной культуре клеток TaxuscanadensisMarsh., OnosmapaniculatumBureau& Franch, LithospermumerythrorhizonSiebold & Zucc., Hipericumperforatum L. [25, 212, 241, 247], а также: в культурах клеток Beta vulgaris L., BerberisparvifoliaSprague, DioscoreadeltoideaWall. exGriseb, Panaxjaponicusvar. repensC. A. Mey. и Panaxnotoginseng (Burkill) F. H. ChenexC. Y. Wu & K. M. Feng [113, 171, 185, 196, 249].

Однако не всегда программа синтеза вторичных метаболитов оказывается дерепрессированной в клетках каллусной ткани. У некоторых видов синтез вторичных метаболитов обязательно сопряжен с определенными органами растения [59, 115, 167]. К таким культурам относят Papaver somniferum L., у которого пик синтеза опиатовых алкалоидов связан с появлением специализированных млечников, образующихся только на стадии дифференциации и гистогенеза [167]. Подобная зависимость наблюдается при культивировании тканей Papaver bracteatum, и тканей табака, а также при культивировании клеток Foeniculum vulgare Mill. [59, 107]. Максимальный выход алкалоидов Atropa belladonna L., приходится на стадию начала дифференциации корней в культуре. Или, например, в культуре клеток Rhodiola linearifolia Beriss синтез полифенолов усиливается при ризогенезе [52]. Подобная картина отмечена при культивировании клеточных культур Digitalissp., Peganumsp., и Catharanthussp. Так, при выращивании на средах, не содержащих ауксины, исследователями отмечено появление очагов морфогенеза, и одновременно с ними, повышение выхода вторичных метаболитов [84, 167]. Но подобная зависимость не всегда проявляется в культуре ткани. На некоторых культурах получены данные об обратном действии дифференциации и органогенеза на выход вторичных метаболитов: при проявлении морфогенеза в культуре Dioscorea deltoidea и AgavewightiiJ. R. Drumm. & Prain резко снижается выход сапогенинов, представленных стероидными гликозидами [59, 69, 107].

Помимо подобной зависимости нерешенным остается вопрос о том, какую роль играет тот или иной метаболит в метаболизме клетки. Так, в культуре Catharanthus roseus синтез серпентина идет параллельно росту массы клеточной культуры. У Acer pseudoplatanus L. накопление фенольных соединений идет в две стадии: первая – деление и рост клеток, вторая – накопление фенольных соединений [107, 167, 200, 242, 245]. Следующей проблемой является поиск конкретных способов повышения синтеза вторичных метаболитов в тех или иных клеточных культурах. Генетическая характеристика ткани, из которой был взят эксплант, по-видимому, накладывает определенный отпечаток на синтез метаболитов. Клетки растений являются тотипотентными, и поэтому возможно, что для того, чтобы заставить их продуцировать вещества, характерные для исходного растения, необходимо создать клеткам соответствующие условия культивирования [59]. Традиционно такой подход применяют для инициации каллусных культур из высокопродуктивных растений, в расчете на то, что их характеристики материнского растения будут перенесены и в культуру. Для получения объективной информации по этому вопросу были проведены исследования синтеза никотина в каллусных культурах, инициированных из двух различных пар растений Nicotiana tabacum L., которые отличались по содержанию никотина (высокое или низкое) и были изогенны по всем остальным локусам. При этом высокопродуктивные культуры получали только из высокопродуктивных растений. Ни разу не было отмечено, чтобы каллус низкопродуктивного растения давал более высокий уровень выхода никотина, чем каллус высокопродуктивного [167]. Подобный эксперимент был проведен З. Б. Шаминой, и Л. В. Фроловой, которые использовали для получения клеточных культур изогенную линию Papaver somniferum L. [59]. В этом случае были использованы одинаковые экспланты (апикальные меристемы), изолированные одновременно из растений одного возраста и культивируемые в одинаковых условиях. Несмотря на это, полученные каллусы существенно различались по ростовым характеристикам и по синтезу алкалоидов. Из вышеизложенного следует, что существует корреляция между содержанием метаболита в интактном растении и полученной ткани. Однако, не следует полагать, что для инициации первичных культур необходимо выбирать наиболее обогащенную ткань, поскольку высокая концентрация может отражать только накопление веществ путем направленного транспорта, а не как продукт синтеза, локализованного в ней [21, 204].

Данные литературы свидетельствуют и о том, что на выход метаболитов могут оказывать действие химические и физические факторы культивирования. К химическим факторам культивирования относят состав питательной среды, при этом особое внимание уделяют составу источников углеродного питания, а также регуляторам роста, витаминам. К физическим относятся температура, освещение, наличие различных источников радиации или жесткого облучения, а также наличие механических повреждений или даже электромагнитных полей, способных повышать и понижать выход метаболитов [86, 98, 107, 167].

Фото в статье взято с сайта lomonosov-fund.ru.

Ссылки на литературу в тексте соответствуют источнику.

Источник: Сидякин А.И., Индуцированный морфогенез in vitro и накопление тритерпеновых гликозидов в каллусных культурах ломоноса виноградолистного (Clematis vitalba L.): Дис. … канд. биол. наук. Симферополь. 2011. – 217 с.

Материал любезно предоставил Сидякин Андрей Иванович – к.б.н., ас. каф. ботаники и физиологии растений и биотехнологий и м.н.с. Биотехнологического центра НИЧ Таврического национального университета им. В.И. Вернадского, научный консультант ООО КрымБио

Добавить комментарий

CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.