История развития метода культуры клеток и тканей растений

1Попытки культивировать изолированные клетки, ткани растений делались давно, и в истории развития этого метода можно выделить несколько этапов.

1 этап (1892-1902 гг.) связан с именами таких немецких исследователей, как Хаберландт, Фехтинг, Рехингер. Они пытались культивировать в растворе сахарозы различные растительные ткани. Для сегментов стеблей одуванчика и тополя был изучен первичный каллус. Не достигнув положительных результатов эти исследователи высказали ряд идей и гипотез, которые подтвердились позже. Так, Хаберландт выдвинул гипотезу о тотипотентности любой живой растительной клетки, т.е. способности клеток реализовывать свой потенциал развития и давать начало образованию целого растения при определенных условиях культивирования.

2 этап (1902-1922 гг.) ознаменовался созданием первых питательных сред для культивирования тканей животных. Эти среды были природного происхождения и содержали плазму крови и зародышевую жидкость. Попытки вырастить изолированные растительные ткани на искусственных питательных средах, содержащих растительные экстракты, оказались неудачными, т.к. использовались мало подходящие для проявления ростовой активности клетки и ткани высших растений.

3 этап (1922-1932 гг.) американский ученый Робинс и немецкий ученый Коте показали возможность культивирования на твердых питательных средах меристем кончиков корня томатов и кукурузы. Однако, через определенное время растительные ткани погибали.

4 этап (1932-1940 гг.) французский ученый Р. Готре показал возможность долгого культивирования в условиях in vitro растительных тканей за счет периодического пересеивания их на свежую питательную среду. Впоследствии с помощью этого метода многие растения были введены в культуру.

5 этап (1940-1960 гг.) с открытием в 1955 г. нового класса фитогормонов – цитокининов, была получена возможность стимулировать деление клеток кусочка ткани сердцевины паренхимы табака, лишенный проводящих пучков и камбия в зависимости от концентрации и соотношения стимуляторов роста можно было усиливать деление клеток экспланта, поддерживать рост каллусной ткани, индуцировать морфогенез. Было установлено положительное действие натуральных экстрактов типа эндосперма кокосового ореха, каштана, кукурузы и других растений для поддержания неорганизованного клеточного роста и стимуляции процессов морфогенеза в культуре каллусных тканей и клеточных суспензий.

6 этап (1960-1975 гг.) профессор Ноттингемского университета Э.Коккинг разработал ферментативный метод получения изолированных протопластов из корней и плодов томата и культивировать их в контролируемых условиях. Его сотрудником Пауэром было осуществлено искусственное слияние протопластов, что открыло новый путь к созданию соматических гибридов. Французский ученый Ж. Морель разработал метод микроразмножения растений в условиях in vitro с использованием меристемиды культуры и применял его для получения оздоровленного посадочного материала орхидей.

7 этап (1975 г. по настоящее время) продолжается быстрое развитие техники in vitro, изучение биологии культивируемых объектов, разрабатываются методы электрослияния изолированных протопластов, методы мутагенеза и клеточной селекции, методы получения гаплоидных растений, совершенствуется метод глубинного культивирования клеток с использованием изолированных протопластов и векторов, созданных на основе Ti- и Ri- плазмид Agrobacterium tumefaciens и A.rhizogenes. С помощью методов генной инженерии разработан эффективный метод переноса генов для двудольных растений. Таким образом, за последние десятилетия был сделан большой шаг вперед в раз-витии технических приемов работы с изолированными тканями и клетками растений. Однако объектом исследования, как правило, служили однодольные и двудольные травянистые растения и в редких случаях – древесные.

2 Приоритет развития биотехнологических производств, ориентированных на нужды здравоохранения, определен Государственной программой развития фармацевтической и медицинской промышленности РК, утвержденной Указом Президента РК от 20.08.1997 года, № 3621.В Республике Казахстан имеется огромный научный и производственный потенциал для развития медицинской биотехнологии. Это ведущие научно-исследовательские институты и предприятия республики, такие как Институт молекулярной биологии и биохимии им. М.А. Айтхожина (ИМБиБ), Научно-исследовательский сельскохозяйственный институт (НИСХИ), Институт физиологии, генетики и биоинженерии растений (ИФГБР), Алматинский биокомбинат, ОАО «Биомедпрепарат», ОАО «Биопрепарат», ОАО «Прогресс», Институт фармацевтической биотехнологии, Центральная лаборатория биологических исследований лекарственных соединений (ЦЛБИЛС), Институт микробиологии и вирусологии, Институт питания, Казахский государственный национальный университет им. аль-Фараби, Институт общей генетики и цитологии, Институт фитохимии. В период с 1993 по 2000 годы в Республике Казахстан основные прикладные исследования в области биотехнологии осуществлялись в рамках Республиканской целевой научно-технической программы (РЦНТП) «Использование методов биотехнологии и генной инженерии в медицине, сельском хозяйстве и промышленности», в рамках которой разработаны антигрибковый препарат «Розеофунгин», ранозаживляющее средство «Имозимаза», разработаны технологии получения экзополисахарида полимиксана в качестве мазевой основы, фермента декстраназы и пробиотика бифидумбактерина; получены лекарственные формы препаратов на основе первого отечественного противогрибкового антибиотика розеофунгина и фермента протосубтилин; создана везикулярная система для транспорта лекарств- СИТРАЛ; разработаны тест-системы для определения хориогонадотропина, гистамина и ВИЧ; разработаны методы получения и культивирования b-клеток поджелудочной железы кроликов и телят и их трансплантации интраокулярным и прямым способами в организм больного сахарным диабетом. В настоящее время в Институте фармацевтической биотехнологии совместно с ОАО «Биопрепарат» налаживается промышленный выпуск протеолитического иммобилизированного фермента «Имозимаза», b-каротина, антибиотиков низина и тилозина, а также разрабатывается экспресс-метод диагностики ВИЧ.Совместно с Институтом фитохимии проводятся исследования по полупромышленному культивированию клеток полыни, являющейся продуцентом сесквитерпеного лактона арглабина, на основе которого разработан одноименный противоопухолевый препарат.

В научно-исследовательском сельскохозяйственном институте получены культуры гепатоцитов с высокой функциональной активностью. Гепатоциты имеют все морфофункциональные свойства, характерные для интактной печени, что доказано цитологическими и биохимическими исследованиями.

В институте молекулярной биологии и биохимии разработана новая лекарственная форма на основе фосфатидитинозитольного комплекса.

Значительным потенциалом обладают лаборатории, организованные в составе Национального центра по биотехнологии МОН РК. Уровень подготовки персонала и оснащение позволяют проводить сложные исследования по разработке лекарственных средств и диагностикумов на основе моноклональных антител. Под руководством НЦБ МОН РК осуществляется сбор, пополнение и поддержание микроорганизмов-продуцентов ценных биологически активных веществ. Существуют аппараты для культивирования микроорганизмов и растительных клеток Ак-203 и Ак-210, предназначенные для аэробного культивирования в жидких средах непатогенных микроорганизмов. Процесс культивирования в аппарате может проводиться как в периодическом, так и непрерывном режимах. Области применения: изучение биохимии и физиологии микроорганизмов; микробиологическое производство медицинских препаратов; пищевая промышленность; микробиологическая очистка сточных вод. Устройство: каждый аппарат Ак-203 и Ак-210 состоит из четырех основных частей : биохимического прибора, содержащего ферментер и вспомогательные устройства, связанные с ним гидравлическими, пневматическими и механическими связями; прибора измерения, включающего в себя измерители рН и рО₂; прибора регулирования, в состав которого входят электронные блоки регулирования температуры жидкости, скорости вращения мешалки, задания расхода жидкости по четырем каналам и регулирования рН; автоматического потенциометра для регистрации параметров культивирования микроорганизмов. В состав каждого аппарата может быть дополнительно введен контроллер, осуществляющий связь аппаратов с компьютером типа IBM PC/АТ и программная система Ферм Сервис, что обеспечивает:

- автоматическое ведение процессов культивирования микроорганизмов;

- возможность корректного вмешательства оператора в процесс культивирования; протоколирование хода процесса с переключаемыми интервалами записи на принтере и жестком диске;

- графическое отображение параметров процесса и состояния аппаратуры комплекса;

- программирование процессов культивирования на специализированном языке Прок, существенно упрощающем задачу программирования для пользователя;

- обработку данных и управление процессом культивирования по алгоритмам заказчика.

В целях дальнейшего развития биотехнологии необходимо осуществлять творческие контакты с учеными международных биотехнологических центров и других научных учреждений развитых и развивающихся стран – США, Великобритании, Франции, Германии, Японии, Италии, Индии, Китая и других, а также обеспечить постоянную и эффективную государственную поддержку этих исследований, что позволит в дальнейшем выйти в области биотехнологии и особенно в биоинженерии на мировой уровень. По клеточной биотехнологии результаты исследований ученых нашей страны уже сегодня не уступают зарубежным, а по ряду важных направлений и превосходят их.