Фізіологічні основи переваги іммобілізованих рослинних клітин перед традиційними способами культивування

У літературі є численні дані про те, що існує позитивна кореляція між накопиченням вторинних метаболітів і ступенем диференціювання в культурі клітин. Крім того, лігнін, наприклад, відкладається в трахеїдів і судинних елементах ксилеми тільки після завершення процесів диференціювання, що було показано в експериментах як in vivo, так і in vitro. Отримані дані свідчать про те, що диференціація і накопичення вторинних продуктів обміну речовин відбувається в кінці клітинного циклу. При зниженні росту процеси диференціації прискорюються.

Вивчення вмісту алкалоїдів, накопичуваних багатьма рослинами in vitro, показало, що компактні, повільно зростаючі культури клітин містять алкалоїди у великих кількостях, ніж пухкі, швидко ростучі культури. Організація клітин необхідна для їх нормального метаболізму. Наявність організованості в тканині і її наступна дія на різні фізичні та хімічні градієнти – чіткі показники, за якими розрізняються високо- і низькопродуктивні культури. Очевидно, що іммобілізація клітин забезпечує умови, що призводять до диференціації, впорядковує організацію клітин і сприяє тим самим високому виходу вторинних метаболітів.

Іммобілізовані клітини мають ряд переваг:

1. Клітини, іммобілізовані в або на інертному субстраті, утворюють біомасу набагато повільніше, ніж зростаючі в рідких суспензійних культурах.

Який же зв'язок між зростанням і метаболізмом? При чому тут клітинна організація та диференціювання? Припускають, що цей взаємозв'язок обумовлений двома типами механізмів. Перший механізм заснований на тому, що ріст визначає ступінь агрегації клітин, надаючи непрямий вплив на синтез вторинних метаболітів. Організація в даному випадку є результатом агрегації клітин, а достатня ступінь агрегації може бути отримана тільки в повільно зростаючих культурах. Другий механізм пов'язаний з кінетикою швидкості росту і припускає, що «первинний» і «вторинний» шляхи метаболізму по-різному конкурують за попередники у швидко і повільно зростаючих клітинах. Якщо умови середовища сприятливі для швидкого росту, то в першу чергу синтезуються первинні метаболіти. Якщо швидке зростання блоковане, то починається синтез вторинних метаболітів. Таким чином, низька швидкість росту іммобілізованих клітин сприяє високому виходу метаболітів.

2. Крім повільного росту іммобілізація клітин дозволяє їм рости в тісному фізичному контакті одине з одним, що сприятливо позначається на хімічних контактах.

У рослині будь-яка клітина оточена іншими клітинами, але її становище змінюється в ході онтогенезу в результаті розподілу як цієї, так і оточуючих клітин. Від положення клітини в рослині залежить ступінь і тип диференціації цієї клітини. Отже, фізичне оточення клітини впливає на її метаболізм. Яким чином? Регуляція синтезу вторинних метаболітів знаходиться як під генетичним, так і під епігенетичних (позаядерним) контролем, тобто будь-які зміни в цитоплазмі можуть призвести до кількісних і якісних змін в утворенні вторинних метаболітів. У свою чергу, цитоплазма являє собою динамічну систему, що знаходиться під впливом навколишнього середовища.

Із зовнішніх умов на метаболізм істотно впливають 2 важливих чинники: концентрація кисню і вуглекислого газу, а також рівень освітлення. Світло відіграє роль і в процесі фотосинтезу, і в таких фізіологічних процесах, як поділ клітин, орієнтація мікрофібрил, активація ферментів. Інтенсивність і довжина світлової хвилі визначається положенням клітини в масі інших клітин, тобто залежать від ступеня організованості тканини. У організованій структурі існують відцентрові градієнти концентрації О₂ і СО₂, які грають виключно важливу роль у процесі диференціації.

Таким чином, вторинний метаболізм у великих агрегатах клітин з невеликим відношенням площі до об'єму (S/V) відрізняється від таких ізольованих клітин і дрібних груп клітин в результаті дії градієнтів концентрації газів. Аналогічно діють градієнти регуляторів росту, поживних речовин, механічного тиску. Умови оточення у диспергованих клітин і клітин у вигляді агрегатів різні, тому шляхи метаболізму у них також різняться.

3. Регулювати вихід вторинних метаболітів можна також, змінюючи хімічний склад навколишнього середовища. Зміна складу середовища для каллусної і суспензійної культури супроводжується певними фізичним маніпуляціями із клітинами, що може призвести до пошкодження або забруднення культур. Ці труднощі можна подолати, використовуючи циркуляцію великих обсягів поживного середовища навколо фізично нерухомих клітин, що дозволяє здійснювати послідовні хімічні впливи.

4. У деяких випадках виникають проблеми з виділенням ідіолітов.

При використанні іммобілізованих клітин відносно легко здійснюється обробка їх хімічними речовинами, індукують вивільнення необхідних продуктів. Це також знижує інгібування за типом зворотного зв'язку, яке обмежує синтез речовин внаслідок накопичення їх усередині клітини. Культивовані клітини деяких рослин, наприклад, Capsicum frutescens виділяють вторинні метаболіти в навколишнє середовище, а система іммобілізованих клітин дозволяє відбирати продукти без ушкодження культур. Таким чином, іммобілізація клітин сприяє легкої ізоляції ідіолітов.