"Первые в области разработки промышленных биотехнологий
редких и лекарственных растений"

Добрый день!

Как мы уже упоминали, мы биотехнологи, работаем с культурами растительных клеток.

Мы подумали, что, скорее всего, далеко не всем понятно, что это такое и нам захотелось рассказать поподробнее о нашей деятельности. Как настоящие исследователи, мы решили попробовать поэкспериментировать и для наглядности сделать это в виде фотоблога.

Что же такое культура растительных клеток?

Начнем с банального. Растения окружают нас повсюду:

Но они не только радуют глаз, украшая любой ландшафт. Растения также продуцируют биологически-активные вещества (БАВ) широкого спектра действия с чрезвычайно разнообразным химическим строением - алкалоиды, изопреноиды (терпеноиды), фенольные соединения, причем каждая из этих групп подразделяется на многочисленные подгруппы и в свою очередь содержит тысячи соединений. Многие из этих веществ являются экономически важными продуктами и широко используются в фармакологической, косметической и пищевой промышленности, ветеринарии и сельском хозяйстве. Наибольшим спросом пользуются противоопухолевые препараты, адаптогены, иммуностимуляторы и противомикробные препараты. Поскольку процессы разработки и внедрения новых синтетических аналогов могут обходиться очень дорого и занимать много лет, практический интерес к растениям как природному сырью для получения целевых продуктов вполне оправдан.

Постоянно растущий спрос на БАВ растительного происхождения ведет к возникновению проблемы сохранения дикорастущих видов и к поиску альтернативных источников ценных соединений. Плантационное выращивание позволяет частично решить эти вопросы, однако принципиально иные возможности для получения растительных БАВ дает использование культур клеток высших растений.

Собственно, образцы для получения культур растительных клеток можно собирать где угодно:

«Родоначальником» культуры (эксплантом) может быть любая часть растительного организма – почка, побег, фрагмент корня, стебля, листа, проч. Растение также может быть любым – дерево, кустарник, травянистое растение:

Сама идея получения культуры растительных клеток достаточно проста – кусочек отобранной растительной ткани стерилизуют (избавляются от посторонних микроорганизмов) и в стерильных условиях помещают на специальную питательную среду в чашки Петри. Питательные среды обычно содержат источники углеводов (например, сахарозу или даже сахар-рафинад), витамины, регуляторы роста растений, минеральные вещества, агар-агар.

Что же происходит дальше? Растительные клетки в новых условиях освобождаются от влияния целого организма, утрачивают признаки листа или корня, превращаются в просто «неопределенные клетки», которые потенциально могут опять дать начало новому растению.

Клетки в культуре заставляет делиться подобранная определенным образом комбинация естественных гормонов растений (регуляторов роста). Зная об особенностях действия фитогормонов, биотехнолог может с их помощью добиваться от культуры клеток желаемых результатов в пределах возможностей материала.

Из делящихся клеток в культуре на среде с желеобразным агар-агаром («твердая среда») образуется особая каллусная ткань (до развития биотехнологий так называли шрамы и наплывы на местах поранений растительного организма). Часто бывает удобно использовать вместо твердой среды жидкую и выращивать культуру в колбах на качалке – в этом случае клетки и их небольшие скопления (агрегаты) образуют суспензию. Через определеный срок, по мере уменьшения питательных веществ в среде, часть клеток переносят на новую среду, т.е. культура растительных клеток может существовать только в цепи последовательных персадок (и кстати – все операции с клеточными культурами проводят только в стерильных условиях):

Какие же возможности культур растительных клеток можно использовать на практике?

Нам наиболее интересным кажется изучение особенностей выращивания клеточных культур в больших промышленных аппаратах (биореакторах или ферментаторах) для получения целевых БАВ в производственных масштабах. Для этого мало просто нарастить большое количество клеточной биомассы (хотя это само по себе не очень просто – надо быть не только биологом, но еще и технологом, инженером, слесарем, механиком, электриком, иногда даже сварщиком). Нужно еще сделать так, чтобы клетки не забыли как производить необходимые нам вещества. А для этого, в свою очередь, надо знать строение целевых БАВ и их пути синтеза в клетках (фитохимия, биохимия), локализацию (микроскопия), особенности жизнедеятельности клеток в условиях in vitro (физиология) и многое другое.

На данный момент во Всероссийской коллекции культур клеток высших растений (ИФР РАН), совместно с которой работает наша группа, находятся десятки штаммов. Многие из них мы успешно научились выращивать в промышленных биореаторах, в частности – суспензионные культуры клеток разных видов женьшеня и ряд штаммов диоскореи дельтовидой, продуцирующих гинзенозиды и фуростаноловые гликозиды соответственно, разных видов тисса – продуцентов противоопухолевых дитерпеноидов (таксоидов). Отработали универсальную технологию, которая позволяет получать интенсивный рост клеток при сохранении способности к синтезу веществ интереса: