Криобиологические сосуды > Химия и биотехнология > Биотехнология на основе растительных клеток

Биотехнология на основе растительных клеток


Растения издавна являются поставщиками химических соедине­ний для самых разных отраслей химической промышленности. Это не только такое сырье, как сахара, но и целый набор слож­ных вторичных метаболитов, например каучук, кокаин, вещест­ва, использующиеся в качестве красителей, вкусовых добавок и пряностей. Получить такие вещества методом химического син­теза часто бывает невозможно из-за сложности их строения. Сегодня, воодушевленные успехами биотехнологии, ученые вновь обращаются к царству растений. Они не только пытаются отыс­кать пути к улучшению способов выработки уже освоенной про­дукции (например, аймалина и кодеина), но и разработать новые принципы биотрансформации и получить новые продук­ты. Нам предстоит в ближайшие годы заставить гены растений работать в бактериальных клетках; сложность этой задачи со­стоит в том, что мы плохо знаем, как они работают даже в соб­ственных клетках. Кроме того, вторичные метаболиты образу­ются в результате многоступенчатых процессов, о регуляции которых нам тоже почти ничего не известно. Можно думать, что путем использования культур растительных тканей мы сможем разработать новые подходы к получению ценных химических продуктов, особенно лекарственных веществ, а также улучшить сорта растений. Работая с культурами тканей растений, мы сможем контролировать образование таких веществ и при этом не зависеть от капризов погоды и не думать о вредителях рас­тений, которые так сильно влияют на образование нужных нам веществ.
Культуры растительных тканей можно получить из любого вида растений. При этом используются разнообразные среды. Познание особенностей физиологии и биохимии таких культур позволили значительно повысить их урожайность и выход био­массы. Однако многие такие культуры не могут считаться истин­ными автотрофами, так как для роста им необходимы внешние источники углерода (в форме глюкозы или сахарозы), азот, ми­неральные вещества и факторы роста. Сегодня мы умеем полу­чать большое количество биомассы (20—30 г/л), но повысить выход интересующих нас веществ обычно удается лишь за счет снижения выхода биомассы и подавления роста. Выход различ­ных веществ в культуре может быть в 10 раз выше, чем в слу­чае растения, но для этого необходимо разработать новые стра­тегии скрининга и селекции, особенно если искомый продукт образуется в малых количествах.
С проблемами биотехнологии растительных клеток можно познакомиться на примере организации промышленного произ­водства первого вещества, полученного из культуры тканей рас­тения. Известно, что корни растения Lithospermum erytrorhizon -содержат шиконин и его производные. Это растение издавна .используется в Японии как лекарственное, поскольку оно обла­дает антибактериальной и противовоспалительной активностью. Шиконин, ярко-красное вещество, производное нафтохонина, применяли и как краситель. Для того чтобы концентрация ши­конина в корнях достигла 1—2%, возраст растения должен со--ставлять 5—7 лет. Так как выращивать Lithospermum erythror-hizon в промышленном масштабе в Японии невозможно, его приходилось ввозить из Кореи и Китая, а поэтому стоимость чистого природного вещества составляла 4500 долл. за 1 кг. Представлялось заманчивым наладить его промышленное про­изводство на основе культуры тканей растений. Клетки растений не выделяют вторичные продукты в среду, а запасают их в ва­куолях и органеллах, что затрудняет их получение. Однако на­копление шиконина облегчает отбор наиболее продуктивных линий, поскольку содержащие этот краситель клетки имеют яр­ко-красный цвет. Удалось выделить линию, накапливающую до 15% шиконина на сухую массу клеток. Последующая оптими­зация среды позволила достичь тринадцатикратного увеличения продуктивности. Был разработан двухступенчатый процесс куль­тивирования, в котором на первой стадии создавались оптималь­ные условия для наращивания биомассы, а на втором —для образования вторичных продуктов. Клетки растят в суспензион­ной культуре; для этого лучше всего подходят эрлифтные фер­ментеры, так как в них осуществляются одновременно как ин­тенсивное перемешивание, так и разделение клеток, а вероят­ность повреждения относительно хрупких клеток минимальна. Процесс производства шиконина начинается с наращивания кле­ток в ферментере объемом 200 л. Затем его содержимое пере­носят в аппарат объемом 750 л и проводят экстракцию обыч­ными химическими методами. Выход продукта за один цикл составляет 5 кг, поэтому стоимость его гораздо ниже, чем при получении упомянутым выше способом.
Шиконин можно выделять и иным способом — путем изме­нения рН среды или же добавления некоторых влияющих на проницаемость клеток веществ, например диметилсульфоксида. Такой подход может оказаться полезным при работе с иммоби­лизованными клетками: в этом случае благодаря селективной проницаемости можно будет постоянно удалять вторичные мета­болиты из внутриклеточных вакуолей без глубокого нарушения первичного обмена веществ. Необходимо отметить, что иммо­билизация, осуществленная наиболее мягким, щадящим методом, может способствовать внутриклеточному накоплению со­единения в ответ на создание микроокружения, имитирующего условия в продуктивных частях растения. Рост можно замед­лить, направив питательные вещества на образование вторич­ных продуктов метаболизма. Так, клетки Catharanthus, иммо­билизованные в альгинат-акриламидной матрице, в больших количествах выделяют в среду аймалин и серпентин. Для полу­чения ряда алкалоидов, производных индола [аймалина, вин-бластина и винкристина (два последних соединения применя­ются при лечении рака)], можно, по-видимому, использовать-барвинок Catharanthus roseus. Необходимо отметить, что кон­центрация этих алкалоидов обычно крайне мала, и их прихо­дится выделять из смеси других образуемых растением алка­лоидов. Кроме того, в культурах тканей винбластин и винкри-стин не образуются, но разработан альтернативный способ их производства. Эти алкалоиды представляют собой асимметрич­ные димеры катарантина и виндилина, причем катарантин мож­но получать методом культивирования в большом количестве с относительно небольшой примесью других алкалоидов. Диме­ры затем можно синтезировать химическим путем.
Культивируемые ткани растений применяются также для проведения биотрансформации. Примером такого рода может служить образование стимулирующего работу сердца дигоксина путем 12-р-гидроксилирования дигитоксина в суспензионных, культурах или в иммобилизованных клетках наперстянки Digi­talis lanata. На основе этих систем, а также иммобилизованных клеток моркови удалось осуществить и синтез ряда новых кар-денолидов.
Методы культивирования тканей растений применялись и для улучшения сортов сельскохозяйственных культур: повышения их устойчивости к болезням и неблагоприятным условиям среды,, увеличения содержания сахарозы и крахмала, повышения уро­жайности. Эти методы используют для выведения более продук­тивных древесных пород—источников лигноцеллюлозы, а так­же растений — продуцентов эластомеров (гваюла, молочай) или масла (масличная пальма, соя).
Таким образом, перспективы развития биотехнологии на ос­нове растительных клеток представляются весьма многообещаю­щими. Будет налажено производство новых лекарственных пре­паратов, подсластителей, средств защиты растений, веществ для косметической и парфюмерной промышленности. Возможности этой быстро развивающейся технологии будут еще более рас­ширены в результате дальнейшей разработки способов получе­ния гибридов путем слияния протопластов.