Биотехнология на основе растительных клеток, используемые в фармации

Производство серпентина на основе суспензионных культур частично дифференцированных клеток меристемы Catharatus roseus оказалось эффективным и экономически оправданным лишь после того, как были получены субклоны, способные накапливать за 10-суточный цикл выращивания до 25 г сухого вещества на 1 л суспензионной культуры.

Аналогичная ситуация имела место и при организации биотехнологического производства настойки женьшеня. Количественный выход биологической субстанции в пересчете на сухое вещество каллуса женьшеня было ниже, чем из женьшеня, полученного при плантационном выращивании, примерно в три-четыре раза.

Производство биоженьшеня стало экономически оправданным лишь после того, как удалось повысить продуктивность его каллусных культур. Оказалось, что чем более дифференцированы клетки меристемы в культуре, тем нише их продуктивность. Разработана технология получения в культуре так называемых «бородатых» корней, где по условиям роста в скоплении клеток возникают субпопуляции с повышенной дифференцировкой. Эти популяции являются самыми продуктивными по биологически активным веществам.

Женьшень Рапах ginseng, культура ткани которого была получена в 1958 г., оказался в СССР первым растением, биомассу которого начали выращивать в промышленных условиях. Эксплант выделяется из дикорастущего растения, используется питательная среда следующего состава: 3 % сахарозы (т % агар-агара, 500 мг/л гидролизата казеина, 80 мг/л инозита, 4 мг/л тиамина бромида, кинетина, анафтилуксусной кислоты. Продолжительность культивирования -- 30--60 суток. Препараты, получаемые из биомасы женьшеня, обладают тонизирующим и адаптогенным действием, не уступающим по эффекту препаратам из корня растения.

В 1983 г. японская компания «Mitsui Petrochemical Industries» осуществила первый крупномасштабный процесс ныращивания воробейника (Lithospermum erythrorhizon) с помощью глубинного культивирования с целью получения нторичного метаболита шиконина, являющегося ценным фармацевтическим препаратом и красителем.

За один периодический процесс удается получить около 5 кг конечного продукта, накапливающегося в клетках. На первой стадии клетки воробейника выращивают в среде с подачей стерильного воздуха в 200-литровом биореакторе в течение девяти суток, затем культуру переносят в биореактор меньшего размера со средой, стимулирующей продукцию шиконина. После этого ферментацию проводят в третьем реакторе на 750 л в течение двух недель. По мере прохождения стадии культивирования происходит накопление красителя в клетках продуцентов.

После детального изучения культуры ткани табака Nicotiana tabacum она была предложена в качестве продуцента убихинона (кофермента), участвующего в клеточном дыхании. Исследования фирмы «Tobacco and Salt Public Corp.» (Япония) реализованы в промышленном получении биомассы табака в качестве продуцента убихинона-10.

Заключение

На сегодняшний день из растений получают свыше 25 % фармацевтических препаратов. Они - сырье для тонкой химии, а также источник биохимических компонентов для косметических изделий и пищевых добавок. Биотехнология стремится повысить выход ценных продуктов растений, если нужно, специалисты изменяют их свойства, а также прививают им способность производить новые, не свойственные для них виды продуктов.

Благодаря новейшим открытиям молекулярной биологии и генетики и достижениям генной инженерии растения стали быстро вовлекать в сферу биотехнологии. Этому способствует ряд особенностей жизнедеятельности и размножения растений - способность к неограниченному вегетативному размножению, т.е. к регенерации полноценного растения из черенка, а в условиях биотехнологических систем - из небольшой группы клеток и даже из одной клетки. При культивировании в питательных средах растительные клетки способны в одних условиях неограниченно размножаться, быстро наращивать биомассу, в других - дифференцироваться, образовывать корешки, стебельки, листочки (формируя в пробирке миниатюрное растеньице), а затем переходить к цветению и плодоношению. Таким образом, весь свой биологический цикл растения могут осуществлять в неполевых, контролируемых условиях биотехнологических систем. Оказывая на развивающиеся в этих условиях растения физические, химические и иные воздействия, можно направленно улучшать культивируемые сорта, повышать их продуктивность, использовать растительные клетки в качестве продуцентов биологически активных веществ.

Благодаря биотехнологии традиционные методы гибридизации растений (приведшие к «зеленой революции», т.е. кардинальному повышению урожайности) расширились и стали проводиться на клеточном уровне. С помощью новых методов клеточной инженерии теперь сливают друг с другом клетки разных растений и получают из них новые гибридные растения. Новые методы чрезвычайно расширили границы спектра скрещиваемых растений, куда вошли не скрещивающиеся в природе виды. Однако техническая возможность соединения клеток очень отдаленных видов растений не всегда означает преодоление их биологической несовместимости, поэтому не все гибриды могут сохраняться.

Поскольку растительные клетки окружены жесткими целлюлозными оболочками, для их слияния нужно предварительно растворить эту оболочку, сохранив находящуюся под ней нежную белково-липидную плазматическую мембрану. Клетки, лишенные целлюлозной оболочки, называют протопластами. Получают протопласты обработкой клеток смесью ферментов. Затем протопласты с обнажившейся плазматической мембраной сливают, получая гибридные клетки, несущие свойства обеих клеток-партнеров. Этим путем созданы межвидовые гибриды табака, картофеля, капусты с турнепсом. Протопласты используют также для переноса в них органоидов других клеток - митохондрий, хлоропластов, цитоплазмы.

Большой прогресс в этой области произошел и благодаря искусственным ассоциациям растительных клеток с микроорганизмами, особенно с азотфиксирующими бактериями. Проблема придания растениям свойства азотфиксации имеет огромное народно-хозяйственное значение, поскольку производство азотных удобрений требует больших затрат, а их использование загрязняет среду. Уже получены положительные результаты благодаря искусственным ассоциациям азотфиксирующей бактерии Anaboena variabilis и табака.

Литература

1. Фармацевтическая биотехноглогия: учеб.пособие / В.А. Быков [и др.]; под общ. ред. акад. РАМН и РАСХН, проф. В.А. Быкова. - Воронеж: изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2009. - 432 с.

2. Бутенко Р.Г. Биология культивируемых клеток и биотехнология растений / Р.Г. Бутенко. - М.: Наука, 1991. - 280 с.

3. Сорокина И.К., Старичкова Н.И., Решетникова Т.Б., Гринь Н.А. Основы биотехнологии растений. Культура растительных клеток и тканей: учеб. пособие / И.К. Сорокина, Н.И. Старичкова. - М.: УМК биологического факультета СГУ им. Н.Г. Чернышевского, 2002. - 45 с.

4. Биотехнология. Проблемы и перспективы: учеб. пособие / Н.С. Егоров, В.Д. Самуилов. - М.: Высш. шк., 1987. - 159 с.

5. Бутенко Р.Г. Биология клеток высших растений in vitro и биотехнология на их основе: учеб. пособие / Г.Р. Бутенко. - М.: ФБК-ПРЕСС, 1999. - 160 с.

Размещено на Allbest.ru