Уровень-5

Культура клеток в модификации различных классов органических веществ.

Новый этап в развитии биотехнологии связан в первую очередь с использованием растительных клеток. На настоящий момент на основе растений получают около 25 % фармацевтических препаратов. Растения – это сырье для тонкой химии, а также источник биохимических компонентов для косметических изделий и пищевых добавок. Биотехнология стремится увеличить выход ценных продуктов растений, и при необходимости, специалисты изменяют их свойства, а также прививают им способность производить новые не свойственные для них виды продуктов.

Благодаря новейшим открытиям молекулярной биологии и генетики, а также достижениям в области генной инженерии растения стали быстро вовлекаться 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  на питательных средах растительные клетки способные в одних условиях неограниченно размножаться, быстро наращивая биомассу, а в других – дифференцироваться, образовывая 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 неполовых, контролируемых условиях биологических 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 биологически активных веществ.

Благодаря биотехнологии традиционные методы гибридизации растений 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 соединений клеток очень отдаленных видов растений не всегда означает преодоление их биологической несовместимости, поэтому не все гибриды могут сохраняться.

Культивирование растительных клеток в крупных масштабах было освоено в 1976 г японскими исследователями, которым удалось получить биомассу в объеме 20 м³.

Как и в опытах с микроорганизмами, для экстракции полезных соединений из растительной биомассы клетки необходимо разрушить, но т.к. процесс накопления растительной биомассы значительно более дорог, чем процесс накопления бактерий или дрожжей, потому ученые стремятся избежать разрушения клеток.

Наиболее перспективным решением проблемы, как при реализации полного биосинтеза полезных соединений, так и для биологических превращений доступных веществ, представляется иммобилизация растительных клеток внутри пористых полимеров. В целях обеспечения рентабельности такой системы необходимо, чтобы такие иммобилизованные клетки оставались живыми в течение длительного времени (опыт показывает, что клетки могут оставаться живыми при иммобилизации в таких системах в течение нескольких сотен дней). Но в этом случае встает проблема извлечения из клеток, синтезированных вторичных метаболитов, которые обычно накапливаются в клеточных вакуолях и не выделяются в окружающую среду. По мнению многих специалистов, в настоящее время это основная проблема, осложняющая использование растительных клеток и тканей для производства полезных соединений.

Культура клеток и ее использование в различных научных и практических областях

Генетика  Способность клеток к росту в культуре привела к развитию следующих методов:

• Клонирование

• Хранение и слияние клеток

• Получение и работа с мутантными клетками.

Иммунология  Гибридомная технология: клетки, синтезирующие интересующие ученых антитела, подвергают процедуре слияния с клетками миеломы, которые продуцируют антитела с неизвестной специфичностью.  Полученные гибридомы позволили наладить производство моноклональных антител: мышь иммунизируется неочищенным препаратом антигена и затем клетки её селезёнки гибридизуют с клетками миеломы. Среди полученных гибридных клеток найдётся по крайней мере одна, продуцирующая антитела, специфические к исходному антигену. 

Биотехнология  Культуры клеток могут стать ценным источником гормонов и других секретируемых материалов. Культуры клеток уже сейчас оказываются важными продуцентами видоспецифического противовирусного агента интерферона. 

Вирусология и трансформация клеток  Прогресс в области вирусологии в значительной степени обусловлен возможностью выращивать вирусы в культурах клеток.  В результате применения этих методов выяснилось, что вирусы способны не только инфицировать и убивать клетки, но могут также вызывать изменения в характере роста клеток - феномен, известный как вирусная трансформация клеток. Эти изменения, приводящие к появлению клеток, не реагирующих на своих соседей так, как это характерно для нетрансформированных клеток, вызывают особый интерес в связи с тем, что они могут помочь понять природу трансформации, поскольку сходные изменения, происходящие с клетками in vitro, играют определенную роль в индукции опухоли.  Так как в настоящее время большая часть вирусных заболеваний лечится путем введения антисыворотки, выращивание вирусов имеет важное значение как для идентификации вирусов, так и для их использования в получении вакцины.  Эти задачи решаются в основном с использованием клеточных культур.

Культура клеток растений как объект биотехнологии и перспективы ее использования.

Культуры клеток высших растений имеют две сферы применения:

1.Изучение биологии клетки, существующей вне организма, обуславливает ведущую роль клеточных культур в фундаментальных исследованиях по генетике и физиологии, молекулярной биологии и цитологии растений. Популяциям растительных клеток присущи специфические особенности: генетические, эпигенетические (зависящие от дифференцированной активности генов) и физиологические. При длительном культивировании гетерогенной по этим признакам популяции идет размножение клеток, фенотип и генотип которых соответствуют данным условиям выращивания, следовательно, популяция эволюционирует. Все это позволяет считать, что культуры клеток являются новой экспериментально созданной биологической системой, особенности которой пока мало изучены. Культуры клеток и тканей могут служить адекватной моделью при изучении метаболизма и его регуляции в клетках и тканях целого растения.

2. Культивируемые клетки высших растений могут рассматриваться как типичные микрообъекты, достаточно простые в культуре, что позволяет применять к ним не только аппаратуру и технологию, но и логику экспериментов, принятых в микробиологии. Вместе с тем, культивируемые клетки способны перейти к программе развития, при которой из культивируемой соматической клетки возникает целое растение, способное к росту и размножению.

Можно назвать несколько направлений создания новых технологий на основе культивируемых тканей и клеток растений:

1. Получение биологически активных веществ растительного происхождения:

• традиционных продуктов вторичного метаболизма (токсинов, гербицидов, регуляторов роста, алкалоидов, стероидов, терпеноидов, имеющих медицинское применение);

• синтез новых необычных соединений, что возможно благодаря исходной неоднородности клеточной популяции, генетической изменчивости культивируемых клеток и селективному отбору клеточных линий со стойкими модификациями, а в некоторых случаях и направленному мутагенезу;

• культивируемые в суспензии клетки могут применятся как мультиферментные системы, способные к широкому спектру биотрансформаций химических веществ (реакции окисления, восстановления, гидроксилирования, метилирования, деметилирования, гликолизирования, изомеризации). В результате биотрансформации получают уникальные биологически активные продукты на основе синтетических соединений или веществ промежуточного обмена растений других видов.

2. Ускоренное клональное микроразмно­жение растений, позволяющее из одного экпланта получать от 10000 до 1000000 растений в год, причем все они будут генетически идентичны.

3. Получение безвирусных растений.

4. Эмбриокультура и оплодотворение in vitro часто применяются для преодоления постгамной несовместимости или щуплости зародыша, для получения растений после отдаленной гибридизации. При этом оплодотворенная яйцеклетка вырезается из завязи с небольшой частью ткани перикарпа и помещается на питательную среду. В таких культурах можно также наблюдать стадии развития зародыша.

5. Антерные культуры – культуры пыльников и пыльцы используются для получения гаплоидов и дигаплоидов.

6. Клеточный мутагенез и селекция. Тканевые культуры могут производить регенеранты, фенотипически и генотипически отличающиеся от исходного материала в результате сомаклонального варьирования. При этом в некоторых случаях можно обойтись без мутагенной обработки.

7. Криоконсервация и другие методы сохранения генофонда.

8. Иммобилизация растительных клеток.

9. Соматическая гибридизация на основе слияния растительных протопластов.

10.Конструирование клеток путем введения различных клеточных оганелл.

11.Генетическая трансформация на хромосомном и генном уровнях.

12. Изучение системы «хозяин – паразит» с использованием вирусов, бактерий, грибов и насекомых).