Клеточная инженерия растений

Метод рассматривает различные способы получения клеточных культур, культивирования растительных и животных клеток, выделение изолированных протопластов, биологическое конструирование, а также создание экспериментальных ассоциативных систем между культивируемыми клетками высших растений и микроорганизмами.

Десять наиболее употребляемых лекарственных веществ, получаемых из растений

Таблица 1

Лекарственное вещество	Активность	Растение-источник
Стероиды из диосгенина	Противозачаточные средства	Dioscorea deltoidea
Кодеин	Болеутоляющее	Papaver somniferum
Атропин	Антихолинэргическое	Atropa belladonna L.
Резерпин	Снижающее давление	Rauwolfia serpentina L.
Гиосциамин	Антихолинэргическое	Hyoscyamus niger L.
Дигоксин	Тонизирующее сердечную деятельность	Digitalis lanata L.
Скополамин	Антихолинэргическое	Datura metel L.
Дигитоксин	Сердечно-сосудистые	Digitalis purpurea L.
Пилокарпин	Холинэргическое	Pilocarpus jabonandi
Хинидин	Антималярийное	Cinchona ledgeriana

Клеточные технологии, основанные на культивировании in vitro органов, тканей, клеток и изолированных протопластов высших растений, могут облегчить и ускорить традиционный селекционный процесс. Это, прежде всего, следующие технологии: культура семяпочек и зародышей, регенерация растений из тканей летальных гибридов, экспериментальная гаплоидия, криосохранение генофонда, клональное микроразмножение. Клеточная инженерия предлагает новые пути для создания высокопродуктивных форм растений. Это гибридизация соматических клеток, перенос чужеродных генов.

Примеры лекарственных веществ, полученные на основе каллусных* культур

• Стевиозид - естественный подсластитель и заменитель сахара, успешно используется вместо искусственных подслащивающих веществ. Исходное растение - Stevia rebaudiana Bertoni.

• Арглабин – противоопухолевое соединение. Исходное растение - Artemisia glabella Kar. et Kir. Входит в состав одноименного препарата.

Лаппаконитин - дитерпеновый алкалоид , анаритмическое средство. Исходное растение - Aconitum septentrionale Koelle. Входит в состав препарата Аллапинин

*- Культура каллусных тканей - выращивание в длительной пересадочной культуре тканей, возникших путем пролиферации клеток изолированных сегментов разных органов или самих органов (пыльники, семяпочки и т. д.) растений

Биотрансформация

Очень преспективный метод, использующий ферменты, локализованные в клетке растения, которые способны менять функциональные группы добавленных извне химических соединений. Этот метод пригоден для повышения биологической активности данной конкретной химической структуры и осуществления серии специфических химических реакций за счет включения одного или нескольких последовательно связанных ферментов.

Возможность применения биотрансформации при синтезе некоторых соединений была показана на примере превращения дигитоксина в дигоксин клетками Digitalis lanata (наперстянки шерстистой). После 10-дневной инкубации клеток D.lanata в «ростовой» питательной среде (Мурасигё и Скуга) культуру клеток переносили в «продукционную» среду (8% раствор глюкозы) с субстратом для биотрансформации – дигитоксином. В этих условиях весь дигитоксин в течение 2 дней трансформировался в деацетиллантозид С (дигоксин) и пурпургликозид А 88% и 12% соответственно.

Дигитоксин и дигоксин принадлежат к группе "карденолидов", применяемых для лечения хронической болезни сердца.

В настоящее время названные соединения стоят на шестом и восьмом месте в списке наиболее распространенных препаратов США, но использование дигоксина предпочтительнее из-за его меньшей токсичности, по сравнению с таковой у дигитоксина. Оба соединения в США получают путем экстрагирования плантационно выращиваемых растений, но при этом выделяется в основном дигитоксин.

Недифференцированные культуры Digitalis не образуют сердечных гликозидов, но могут осуществлять определенные реакции биотрансформации субстратов, добавленных в питательную среду. Биотрансформация дигитоксина в дигоксин происходит за счет реакции 12-гидроксилирования, катализируемой ферментом, содержащимся в клетках Digitalis lanata. Работа была проведена с использованием свободных недифференцированных суспензионных культур в Германии в 1977 г, а к настоящему времени внедрена в производство; достигнут выход дигоксина в пределах 700 г/л в 20-ти литровом реакторе за 17 суток культивирования. Таким образом, основные проблемы, связанные с биотрансформацией сердечных гликозидов клетками Digitalis lanata в настоящее время разрешены. Однако для дальнейшего развития этого направления необходима дальнейшая селекция специализированных линий клеток и оптимизация условий их культивирования, сокращение времени ферментации и увеличение срока работы клеток. Основные условия для перевода лабораторных методов культивирования клеток растений в промышленное производство – это экономически оправданные и относительно простые технологии культивирования клеток и выделения конечных продуктов.

Например, производство аймалина на основе меристемных культур Раувольфии стало реальным, когда в ходе селекционной работы и отбора были получены субклоны клеток, которые синтезируют этот алкалоид на порядок выше, чем исходные материнские штаммы.

Производство серпентина на основе суспензионных культур частично дифференцированных клеток меристемы Catharatus roseus оказалось эффективным и экономически оправданным лишь после того, как были получены субклоны, способные накапливать за 10-ти суточный цикл выращивания до25 г сухого вещества на 1 литр суспензионной культуры.

Аналогичная ситуация имела место и при организации биотехнологического производства настойки женьшеня. Количественный выход биологической субстанции в пересчете на сухое вещество каллуса женьшеня было ниже, чем из женьшеня, полученного при плантационном выращивании, примерно в 3-4 раза.

Производство био-женьшеня стало экономически оправданным лишь после того, как удалось повысить продуктивность его каллусных культур, сохранив без изменений реактогенные свойства экстрагируемых лекарственных настоек. Оказалось, что чем более дифференцированы клетки меристемы в культуре, тем выше их продуктивность. Разработана технология получения в культуре так называемых «бородатых» корней, где по условиям роста в скоплении клеток возникают субпопуляции с повышенной дифференцировкой. Эти популяции являются самыми продуктивными по биологически активным веществам.