С помощью современных биотехнологий ученые из Института физиологии растений РАН научились выращивать культуры клеток лекарственных растений. Более того, биологи заставили эти клетки синтезировать нужные лекарственные вещества.
Клетки растений обладают уникальным свойством: они способны вполне благополучно «жить вне организма». Это свойство ученые обнаружили еще более 50 лет назад – тогда в лаборатории Готре во Франции биологи впервые получили длительно выращиваемую культуру клеток моркови. Культура эта, кстати, живет и сегодня.
Практически в то же самое время стали заниматься этой проблемой и российские ученые. О том, чего им удалось достичь, а также о причинах столь длительного интереса корреспонденту Infox.ru рассказал профессор, доктор биологических наук, заведующий отделом Биологии клетки и биотехнологии Института физиологии растений (ИФР) РАН Александр Носов.
Что можно вырастить из культуры?
«Мы разработали технологии, с помощью которых можно получать биомассу культур клеток практически любых лекарственных растений. В нашей лаборатории растут культуры разных видов женьшеня (женьшень настоящий, женьшень японский, женьшень американский), тисса (тисс ягодный, тисс средний), диоскореи дельтовидной, стефании голой, серпухи венценосной, живучки ползучей. Все это редкие или исчезающие виды лекарственных растений. Вот, например, тисс – уникальное растение, которое, во-первых, растет в очень немногих местах Земли, во-вторых, растет очень медленно. Но главное -- из тисса сейчас получают один из наиболее эффективных противоопухолевых препаратов. Другое лекарственное растение – женьшень, он уже практически не растет в диком виде. Но даже если растения часто встречаются в природе или их выращивают на плантациях, то обычно они содержат токсичные примеси -- гербициды, пестициды, радионуклеиды. В культуре клеток эти соединения гарантированно отсутствуют», -- рассказал корреспонденту Infox.ru Александр Носов.
Культура клеток – творение человека
Культура клеток растений – это уникальная экспериментально созданная популяция клеток. Клетки эти необычные – в природе ничего подобного не существует.
«Эти клетки отличаются от обычных клеток растений, -- говорит Александр Носов. -- Главное отличие в том, что они потеряли свою специализацию, то есть это не клетки какого-либо органа или ткани, они дедифференцированы. Но они быстро делятся, и их можно выращивать как микроорганизмы. В то же время от обычных микроорганизмов (например, бактерий) они также значительно отличаются. В частности, у них отсутствует половое размножение, и они являются все же полноправными растительными клетками. Если клетка находится в растении, тогда она подчиняется целому растению. В культуре же организменный контроль развития клетки отсутствует. Но что очень важно -- каждая такая клетка содержит генетическую информацию о целом растении. Это значит, что, в принципе, в этих клетках можно включить неработающие блоки генетической информации и в результате получить из клеток в культуре целое растение -- растение-регенерант. У животных получить из соматических клеток целый организм очень сложно, это возможно сделать только из стволовых клеток, и далеко не всегда».
Как получают культуры клеток
На первый взгляд все достаточно просто – нужно в стерильных условиях взять кусочек ткани или органа растения и поместить его на питательную среду. На самом же деле процесс очень тонкий, требующий постоянного внимания и «вмешательства» ученых.
В состав питательной среды обязательно должны входить фитогормоны – регуляторы роста. «Именно эти вещества заставляют клетки «забыть», что когда-то они были клетками листа или, например, корня. Под влиянием этих фитогормонов клетки теряют свою специализацию (дедифференцируются) и переходят в цикл деления -- начинают делиться. В результате постоянного деления образуется популяция клеток», -- рассказывает Александр Носов.
У культур клеток свои законы
Долгое время ученые считали, что в такой клеточной популяции все клетки одинаковы. Позднее выяснилось, что это совсем не так. Оказывается, в культуре при отсутствии организменного контроля клетки живут строго по своим законам – законам популяции. Там действует отбор клеток по максимальной скорости или стабильности деления. «Те клетки, которые делятся интенсивнее других, имеют больший шанс попасть в следующий цикл пересадки на новую питательную среду. В результате получается уникальная популяция клеток, причем неодинаковых -- они все достаточно различны и по морфологическим показателям (размеру, форме), и по физиологическим характеристиками и даже отличаются генетически. Но иначе популяция просто не могла бы существовать – если все клетки были бы одинаковыми, то даже при незначительных изменениях условий вероятность гибели такой популяции велика. А если клетки в популяции отличаются друг от друга, то практически всегда найдутся такие клетки, которые смогут выжить в изменившихся условиях. Так что гетерогенность (разнообразие клеток) -- основа адаптационных возможностей популяции», -- считают ученые.
Почему лекарственные растения – лекарственные
Получить культуры клеток именно лекарственных растений – особенно сложная задача. Лекарственные растения обладают полезными свойствами часто именно из-за того, что могут синтезировать так называемые вторичные метаболиты – низкомолекулярные биологически активные соединения. Наиболее известные из таких веществ – алкалоиды, изопреноиды, флавоноиды. «В природе часто растения синтезируют вторичные метаболиты в ответ на стресс, это может быть защита от насекомых или даже травоядных млекопитающих», -- говорит профессор Носов.
Как управлять жизнедеятельностью клеток
«Как мы уже знаем, клетки растений в культуре существенно отличаются от клеток в составе целого растениях. И совершенно не очевидно, что эти клетки будут синтезировать нужные человеку биологически активные вещества», -- подчеркнул Носов. Ученые смогли этого добиться, создав особые условия для культур: это и воздействие стрессовых факторов, и подбор определенного соотношения разных фитогормонов, и специальные режимы выращивания клеток. Так, в лабораториях ИФР РАН клетки тисса успешно стали продуцировать дитерпеноид паклитаксел, клетки женьшеня – гинзенозиды, культура иоскореи дельтовидной – фуростоноловые гликозиды, стефании голой – алкалоид стефаглабрин, а серпухи и живучки – экдистериоды.
Чтобы получать промышленные объемы таких культур, используют биореакторы. Биореакторы, по словам биологов, позволяют получать примерно 1 грамм сухой биомассы клеток с одного литра среды в сутки. Нетрудно подсчитать, что при использовании биореакторов объемом 1000 литров (один кубометр) за 14 суток выращивания (стандартный цикл выращивания культур клеток в жидкой среде) можно получить почти 15 килограммов сухой биомассы клеток. И не надо годами ждать, пока ту же биомассу произведет растение в естественных условиях.
