Особливості вторинного метаболізму іммобілізованих рослинних клітин

Содержание вторичных метаболитов в клетках растений обусловлено генетически, находится под контролем роста и развития организма и определяется активностью их синтеза и деградации на клеточном уровне, а также эффективностью экскреции. Процессы вторичного метаболизма характерны для дифференцированных клеток и тканей и реализуются с максимальной эффективностью при оптимальных внешних условиях в соответствии с таксономической специфичностью [12]. Возможность использования культур растительных клеток для получения биопрепаратов уже давно является общепризнанной. Культивируемые клетки тотипотентны, поэтому любое вещество, синтезируемое в интактном растении, в принципе, можно получить и в культуре клеток. Однако в быстро растущих недифференцированных клеточных культурах синтез продуктов вторичного метаболизма, обладающих фармакологической активностью, чаще всего не происходит на характерном для интактных растений уровне. Отчасти, эту проблему можно решить, используя специализированные клетки и ткани растительного организма в качестве эксплантов для получения культуры и ее последующей иммобилизации.

Уже в первых работах по изучению иммобилизованных клеток были замечены их отличия от свободных клеток суспензионных культур. Главным образом, отмечалось повышение наработки вторичных метаболитов, уменьшение скорости роста культуры и увеличение длительности функционирования в биореакторе.

Существуют также технологии получения вторичных метаболитов с помощью иммобилизованных клеток каллусной культуры. Их помещают (встраивают) в определенные носители: альгинат кальция; агарозные шарики; трехмерные сетчатые структуры из нейлона, порошкового металла, полиуретана (в частности, такие системы используются для иммобилизации каллусной культуры клеток Digitalis lanata) или адсорбируют в них.

Носитель с клетка¬ми помещают в питательную среду, клетки при этом остаются живыми. Они прекращают рост, но продолжают синтез метаболи¬тов, выделяя их в среду.

Основные условия иммобилизации — выделение метаболитов в питательную среду и свободное извлечение метаболитов, например алкалоидов из питательной среды.

Иммобилизованные клетки по сравнению с суспензионными культурами имеют следующие преимущества:

- многократное использование;

- четкое отделение биомассы от продуктов метаболизма;

- увеличение продолжительности культивирования на стадии активного биосинтеза;

- получение большего количества вторичных метаболитов;

- сокращение времени ферментации;

- увеличение срока работы клеток (иммобилизованные клетки с низкой скоростью роста способны к интенсивной выработке метаболитов).

Довольно часто синтез метаболитов в суспензионной культуре останавливается на промежуточных этапах, не доходя до получе¬ния необходимого целевого продукта. В этом случае получение конечного продукта возможно, благодаря процессу биотрансфор¬мации, суть которого в изменении промежуточных метаболитов с помощью культур других растений или клеток бактерий с целью повышения биологической активности конкретной химической структуры. Несмотря на то, что биотрансформация очень эффективна в случае применения бактериальных клеток, однако растительные клетки также используют, когда процесс по каким-либо причинам не может осуществляться в клетках микроорганизмов.

В качестве примера можно привести превращение дигитоксина в дигоксин клетками Digitalis lanata. Недифференцированные куль¬туры клеток Digitalis lanata сами по себе не образуют сердечных гликозидов, но могут осуществлять реакции биотрансформации субстратов, добавленных в питательную среду. Растения напер¬стянки (Digitalis lanata) в большом количестве синтезируют диги-токсин вместо необходимого дигоксина. Для соответствующей биотрансформации с успехом используют недифференцирован¬ную суспензионную культуру наперстянки. Иммобилизованные клетки этой культуры способны долгое время с постоянной ско-ростью трансформировать р-метилдигитоксин в й-метилдигоксин (за счет реакции 12-гидроксилирования, катализируемой ферментом, находящимся в клетках Digitalis lanata).

Другой пример: культура клеток женьшеня корневого проис¬хождения способна биотрансформировать (гликозилировать) фе-нольные соединения (продукты жизнедеятельности суспензион¬ной культуры клеток корня Panax ginseng).

Еще один пример — биотрансформация карденолндов, в кото¬рых содержатся гликозиды, используемые в медицине для лече¬ния болезней сердца.

Для успешного осуществления процессов биотрансформации необходимо постоянно проводить селекцию специализированных линий клеток и оптимизировать условия культивирования.

В заключение приведем в качестве примеров используемые в клинической практике лекарственные средства, полученные на основе каллусных и суспензионных культур клеток растений: ши-конин (кожные заболевания), дигоксин (сердечно-сосудистые за¬болевания), берберин (кишечные растройства — в качестве бак¬терицидного средства), диосгенин (противозачаточное средство), панаксозиды (адаптогены, укрепляющие иммунитет). При произ¬водстве настоек женьшеня плантационное выращивание этой куль¬туры по выходу панаксозидов имеет преимущество перед каллус-ным сырьем, однако препараты, получаемые из каллусного сы¬рья, менее токсичны.