Использование культуры клеток растений для производства химических соединений Вторичные метаболиты, их роль в жизни растений и ценность для человека

Особенностью высших растений является их способность синтезировать разнообразные относительно низкомолекулярные соединения, обладающие, биологической активностью: сапонины, кумарины, стерины, каратиноиды, полифенолы, алкалоиды, витамины, хиноны и другие. Так как их присутствие в растительной клетке не строго обязательно для поддержания жизни, они получили название вторичные метаболиты (ВМ).

вещества с антипитательными свойствами: лектины, ингибиторы протеаз, цианогенные гликозиды, таннины, изофлаваноиды, олигосахариды (защита от травоядных животных, микроорганизмов и вирусов)

ВМ с лекарственными свойствами: тритерпеновые гликозиды (стероидные сапогенины и сапонины женьшеня, солодки, аралии), изопреноиды тиса (противоопухолевые таксолы), «сердечные» гликозиды (карденолиды наперстянки, строфанта, ландыша); алкалоиды катарантуса, красавки, безвременника, эритроксилона, мака снотворного, барвинка, раувольфии, хинного дерева, табака (атропин, гиосциамин, скополамин, колхицин, кокаин, кодеин, морфин, папаверин, физостигмин, пилокарпин, хинин, хинидин, резерпин, D-тубокурарин и др.)

ВМ с инсектицидными свойствами: пиретрины пиретрумов, хризантем, пижмы, ротенон из корней бобовых

Большинство пряностей, приправ, такие напитки, как чай, кофе и какао, обязаны вкусу и аромату ВМ, содержащихся в растениях, из которых их получают.

Для использования в хозяйственной деятельности ВМ экстрагируют из природного сырья или осуществляют химический синтез ВМ или их аналогов

Однако зачастую уровень ценного ВМ в растении оказывается крайне низким, а его химический синтез дорогостоящий или чрезмерно сложен.

Природные популяции многих растений-продуцентов ценных ВМ немногочисленны, а культивирование затруднительно, нередко растения-продуценты характеризуются медленным ростом и длительным жизненным циклом. В некоторых случаях выращивание продуцентов затруднено из-за неподходящих климатических условий или отсутствия достаточного количества подходящих земельных ресурсов.

В связи с этим представляется экономически выгодным использование биотехнологий производства ВМ путем культивирования изолированных клеток растений in vitro.

Особенности биосинтеза вторичных метаболитов в культуре клеток растений

В растении синтез ВМ, их транспорт и запасание находятся под строгим контролем всего организма, заложенной программой его развития. Имеются специализированные клетки, ткани и органы, в которых накапливаются ВМ.

Важнейшим условием получения культуры клеток растений является дедифференцировка, в результате которой специализированные клетки эксплантата могут терять и такое свойство, как способность к синтезу ВМ.

Особенности биосинтеза вторичных метаболитов в культуре клеток растений

Характерной особенностью культивируемых клеток является то, что их деления, приводящие к увеличению клеточной биомассы, и синтез ВМ разобщены во времени. Накопление ВМ возрастает в фазе замедленного роста клеточной популяции (в конце клеточного цикла) и достигает максимума в стационарной фазе.

Имеет место положительная корреляция между накоплением ВМ и степенью дифференцировки в культуре клеток. Исследования четко показали, что компактные, медленно растущие культуры содержат целевые ВМ в больших количествах, чем рыхлые, быстро растущие культуры. Очевидно механизмы (генетические, эпигенетические) и условия, замедляющие рост клеток и клеточную пролиферацию, одновременно активируют ферменты вторичного метаболизма.

Для производства ВМ в культуре клеток in vitro используют:

• Суспензионную культуру

• Каллюсную культуру

• Культуру стеблей (или эмбриогенную культуру)

• Культуру корней:

• обычных корней;

• «бородатых корней».

• Кокультивирование стеблей и корней.

Добавление в питательную среду каких-либо промежуточных продуктов биосинтеза может способствовать превращению их в конечный продукт благодаря активности имеющихся в клетке ферментов. Явление химического превращения экзогенных веществ культивируемыми клетками растений, или их экстрактами получило название биотрансформация.

Субстрат для биотрансформации может быть натуральным или синтетическим, а конечный продукт – известным по биосинтезу в интактных растениях или новым, специфичным для культивируемых клеток. Биотрансформация субстрата в конечный продукт может осуществляться с помощью одного или нескольких ферментов.