Области применения метода культуры клеток и тканей.

Метод культуры тканей широко используется в сельском хозяйстве и промышленном производстве (рис. 8). Примером может служить массовое клональное микроразмножение плодовоовощных и де­коративных растений, а также их оздоровление от вирусных и других инфекций. С помощью культуры in vitro можно расширить возможности селекционной работы: получать клоны клеток, а за­тем и растения с запрограммированными свойствами. Благодаря способности клеток синтезировать в культуре вторичные метабо­литы возникла отрасль промышленности, осуществляющая био­логический синтез веществ, необходимых человеку.

Рис. 8. Использование культуры клеток и тканей растений в биотехно­логии (по Х. Борнман, 1991)

В настоящее время известно примерно 2 × 10⁴ синтезируемых ра­стениями веществ, которые используются человеком, и их коли­чество постоянно увеличивается. Растения всегда служили источ­ником пищи, эфирных масел, красителей и, конечно же, лекар­ственных соединений. Так, мак снотворный (Рараvеr sоттnifеrит) является источником болеутоляющего вещества — кодеина; из на­перстянки (Digitalis lапаtа) получают дигоксин, тонизирующий сер­дечную деятельность; из хинного дерева (Сinсhопа ledgеriапа) — антималярийное средство «хинидин».

Особое место занимают нар­котики и стимулирующие вещества. В небольших, строго контро­лируемых количествах их используют в медицине. Однако при систематическом употреблении низких концентраций наркотиков возникают наркозависимость и стремление к увеличению упот­ребляемой дозы. Применение высоких концентраций наркотика убивает человека. Наиболее известны опиум и героин из Рараvеr sоттnifеrит, кокаин из Erythroxylon, никотин из различных сортов табака. Наиболее известный стимулятор — кофеин, содержащий­ся в растениях чая и кофе. Стимуляторы не токсичны в концент­рациях, рекомендуемых к применению, однако высокие их кон­центрации негативно влияют на сердечно-сосудистую и нервную систему человека.

Большой интерес вызвало открытие пиретринов, выделенных из цветков Сhrуsапthemum cinerariaefolium. Эти вещества — мощ­ные инсектициды. Особая их ценность заключается в том, что пиретрины не вызывают привыкания у насекомых, а также не проявляют кумулятивного токсического эффекта.

Способность растений синтезировать различные со­единения привела к предположению, что тем же свойством будут обладать клетки и ткани этих растений, выращиваемые в стериль­ных условиях. Для некоторых культур это оказалось справедливым, но в отдельных случаях клетки либо не проявляли способности к синтезу необходимых веществ, либо синтезировали их в мини­мальных количествах. Понадобились долгие эксперименты по подбору питательных сред, условий культивирования, исследованию новых штаммов, полученных благодаря генетической гетерогенности каллусных клеток или применению мутагенных факторов, чтобы добиться серьезных успехов в этой области.

В настоящее время промышленный синтез вторичных метабо­литов — очень перспективное направление. Синтез вторичных метаболитов происходит главным образом в суспензионной куль­туре клеток, в регулируемых условиях, поэтому он не зависит от климатических факторов, от повреждения насекомыми. Культуры выращивают на малых площадях в отличие от больших массивов плантаций с необходимыми растениями. Культуры клеток расте­ний могут синтезировать практически все классы соединений вто­ричного обмена, причем довольно часто в количествах, в несколько раз превышающих их синтез в целых растениях. Например, выход аймалицина и серпентина в культуре клеток Саtharanthus roseus составляет 1,3% сухой массы, а в целом растении — 0,26%. В культуре клеток Dioscorea deltoidea диосгенин синтезируется в количестве 26 мг на 1 г сухой массы, а в клубнях растений его содержание составляет 20 мг на 1 г сухой массы.

Кроме того, в культурах кле­ток может начаться синтез веществ, не характерных для исходно­го растения, либо расширяется набор синтезируемых соединений. В ряде случаев в клеточной культуре образуются вещества, кото­рые синтезировались интактным растением на ювенильной фазе развития, либо вещества, содержавшиеся в клетках филогенети­чески более ранних групп растений. Так, в культуре клеток Рараvеr bracteatum содержится сангвирин, характерный для ювенильных растений, и отсутствует тебаин, синтезируемый взрослыми рас­тениями.

Важная особенность культивируемой популяции клеток — ее стабильность в отношении синтеза и накопления продуктов вторичного синтеза. Так, российскими учеными были получены разные штаммы клеток Dioscorеа deltoidea, в том числе штамм-сверхпро­дуцент ИФР ДМ-0,5. Все эти штаммы сохраняли стабильность в отношении синтеза фуростаноловых гликозидов около 26 лет.

Интересная особенность большинства клеток в культуре состоит в том, что обычно эти клетки не транспортируют синтезируемые метаболиты в питательную среду или другие клетки, хотя некото­рые культуры составляют исключение, в частности культура кле­ток мака, которые депонируют алкалоиды в млечники. Синтез вто­ричных метаболитов в культивируемых клетках связан с внутри­клеточными органеллами, в основном с пластидами и эндоплазматическим ретикулумом. В клетках, не способных к транспорту метаболитов, продукты вторичного синтеза обычно накапливают­ся в вакуолях и свободном пространстве клеток.

На синтез вторичных метаболитов влияет целый ряд факторов. Прежде всего, выход продукта зависит от генотипа растения-до­нора. Показано, что культуры клеток, полученных от высокопро­дуктивных растений, продуцировали большее число метаболитов. Другой важный фактор — состав питательной среды и концентра­ция ее компонентов, которые должны обеспечивать, с одной сто­роны, увеличение количества клеток-продуцентов, с другой — усиливать сам процесс синтеза. На рост, т.е. на увеличение био­массы, существенно влияет природа и количество углеводов, со­единений азота и фосфора, на синтез метаболитов — природа и концентрация фитогормонов. Так, при замене одного ауксина на другой, например нафтилуксусной кислоты на 2,4-D (2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту), трехкратно увеличился синтез антрахинона суспензионной культурой Morinda citrifolia.

Существует современная технология получения вто­ричных метаболитов с помощью иммобилизованных клеток куль­туры, т. е. помещение их в определенный носитель или адсорбция в нем. Носитель с клетками помещают в питательную среду. Клет­ки остаются живыми. Они прекращают рост, но продолжают син­тез метаболитов, выделяя их в среду.

Еще один из примеров использования вторичных метаболитов растений — получение карденолидов, гликозиды которых используют в медицине для лечения болезней сердца. Растения наперстянки (Digitalis lanata) в большом количестве синте­зируют дигитоксин вместо необходимого дигоксина. Для соответ­ствующей биотрансформации с успехом используют недифферен­цированную суспензионную культуру наперстянки. Иммобилизо­ванные клетки этой культуры способны долгое время с постоян­ной скоростью трансформировать β-метил-дигитоксин в β–метилдигоксин.

Таким образом, использование суспензионных культур для син­теза вторичных метаболитов в промышленных масштабах имеет большие перспективы, и не только с точки зрения экономичес­кой выгоды получения более дешевой продукции в запланиро­ванных количествах. Важно, что использование культуры клеток может спасти от уничтожения тысячи дикорастущих растений, ставших уже редкими, которые синтезируют необходимые человеку веще­ства. Увеличение выхода продукта может быть достигнуто благода­ря дальнейшей исследовательской работе по селекции специали­зированных популяций клеток и оптимизации условий культиви­рования. Большой интерес представляет также дальнейшее разви­тие методов биотрансформации метаболитов и иммобилизации культивируемых клеток.

Достаточно успешно развиваются с помощью технологий кле­точной инженерии, культуры клеток и тканей ускорение и облегчение селекционного процесса, со­здание растений с новыми качествами, а также клональное мик­роразмножение растений, тесно связанное с проблемой их оздо­ровления от вирусных инфекций и криосохра-нение генофонда — технология, в настоящий момент при­обретшая экологическую направленность.