Использование метода культуры изолированных клеток и тканей

Метод используется в массовом клональном микроразмножении декоративных и плодоовощных растений, а также в оздоровлении от вирусных и других инфекций. Расширяются возможности селекционной работы: получаются клоны клеток и растения с запрограммированными свойствами. Клетки могут синтезировать в культуре такие вторичные метаболиты, которые необходимы для человека. Поэтому возникла целая промышленная отрасль получения таких веществ.

В настоящее время уже известно примерно 2 • 104 веществ, которые синтезируются растениями и используются человеком. Это — пищевые вещества, эфирные масла, красители и лекарства.

Из лекарств можно назвать:

  • • кодеин — болеутоляющее средство из Papaver somniferum;
  • • дигоксин — тонизирующий сердечную деятельность алкалоид из наперстянки (Digitalis lanata);

• хинин — антималярийное средство из хинного дерева (Cinchona ledgeriana).

Ряд таких веществ, если их употреблять систематически, могут вызвать привыкание и стремление к увеличению дозы. Высокие концентрации физиологически активных веществ (ФАВ) убивают человека. Самыми известными из таких веществ являются опиум и героин из мака, кокаин — из Erythroxylon, никотин — из различных сортов табака.

Из цветков растения Chrysanthemum cinerariaefolium получены мощные инсектициды — пиретрины. Они не вызывают у насекомых привыкания и не проявляют кумулятивного токсического эффекта.

В свое время было сделано предположение, что в стерильных условиях клетки и ткани растений, синтезирующих важные соединения, будут обладать такими же свойствами. В некоторых случаях это предположение оправдалось. Но в других оказалось, что клетки либо не синтезировали таких веществ вообще, либо синтезировали в минимальных количествах. Понадобились длительные эксперименты по подбору питательных сред, условий культивирования, исследованию новых штаммов. При исследованиях использовалась генетическая гетерогенность каллусных клеток, применялись мутагенные факторы.

В настоящее время многие вторичные метаболиты растений синтезируются в промышленных масштабах. Для синтеза используют суспензионную культуру клеток в регулируемых условиях. Этот процесс не зависит от климатических факторов и от повреждений вредителями. Не требуются большие массивы плантаций.

Культуры растительных клеток синтезируют практически все классы соединений вторичного обмена. Количества получаемых веществ в несколько раз превышают эффективность синтеза в целых растениях. Так, диосгенин в методе культуры изолированных тканей синтезируется в количестве 26 мг на 1 г сухой массы, а в клубнях целых растений только 20 мг.

В культурах клеток может начаться синтез веществ, не характерных для данного растения. Могут также синтезироваться вещества, которые образуются в растении только на ранних стадиях развития. Наконец, в отдельных случаях не образуется вещество, характерное для данного растения

(у мака соответственно сангвирин и тебаин). В культуре живокости (Delphinium) синтезируются стерины, которые встречаются только в архаичных растениях.

Синтез вторичных метаболитов может коррелировать с процессом дифференцировки каллусных клеток (мак). Для табака и морковки синтез никотина и антоцианина не связан с диффе- ренцировкой клеток.

С ростовыми процессами синтез вторичных метаболитов связан по-разному.

В большинстве случаев они синтезируются и накапливаются либо во время экспоненциальной фазы, когда ростовые процессы очень активны, либо в период стационарной фазы, когда рост клеточной массы прекращается. Но отмечены случаи, когда вторичные метаболиты сопровождают весь период роста.

Культивируемые популяции клеток часто проявляют большую стабильность в синтезе и накоплении продуктов. Так, штамм-сверхпродуцент ИФРДМ-0,5 стабильно синтезировал фуростаноловые гликозиды в течение 26 лет.

Большинство клеток в культуре не транспортируют метаболиты в питательную среду или в другие клетки. Исключение составляют клетки мака, которые выделяют алкалоиды в млечники. Вторичные метаболиты обычно синтезируются в клеточных органеллах — пластидах и в эндоплазматическом ретикулуме. Накапливание происходит в вакуолях и в свободном пространстве (СП) клеток.

На синтез вторичных метаболитов влияют различные факторы. Прежде всего, это — генотип растения-донора. Клетки высокопродуктивного растения также являются высокопродуктивными.

Важным фактором является состав питательной среды и концентрация ее компонентов. Эти компоненты должны способствовать увеличению количества клеток-продуцентов и, одновременно, стимулировать процесс синтеза. Первая цель достигается применением соединений азота и фосфора. Вторая — природой и концентрацией фитогормонов.

Большое значение имеет непрерывное перемешивание культуры в биореакторе.

Эффективным современным приемом является применение иммобилизации клеток, когда они помещены в носитель или адсорбированы на нем. Клетки остаются живыми, но не растут, а продолжают синтез метаболитов и их выделение в среду.

Часто синтез вторичных метаболитов останавливается на промежуточных соединениях. Конечный продукт удается получить биотрансформацией. Так называется изменение промежуточных метаболитов с помощью культур других растений или бактериальных клеток.

Бактериальные клетки могут подвергать полупродукты таким превращениям как гидроксилирование, эпоксидирова- ние, глюкозирование, этерификация и присоединение к аминокислотам.

Например, культура клеток корня женьшеня может глико- зировать фенольные соединения, продуцируемые культурой клеток корня Panax ginseng. Клетки лебеды и картофеля био- трансформируют индолил-3-уксусную кислоту в индолин-3- ацетил-Б-аспарагиновую.

Суспензионные культуры клеток в промышленных масштабах дают большую экономическую выгоду, позволяя получать дешевую продукцию в запланированных количествах. При этом спасаются от уничтожения тысячи дикорастущих растений, ставших редкими.

Увеличение выхода, эффективности этих производств связано с развитием селекционной работы и исследований по оптимизации условий культивирования. Большие перспективы имеет применение методов биотрансформации и иммобилизации культивируемых клеток.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >