 |
|
Дисциплина «Клеточная биотехнология»
4. Культура клеток в производстве биологически активных соединений.
В растениях содержится огромное разнообразие веществ вторичного происхождения. Несмотря на такое название, они играют важную роль в обмене веществ растений. Многие из них широко используются в медицине и технике, пищевой и парфюмерной промышленности, сельском хозяйстве.
Первыми среди вторичных веществ в культуре ткани привлекли внимание исследователей алкалоиды. Анализ каллусных культур барвинка розового, раувольфии змеиной, белены черной, дурмана и др. показал, что они содержат алкалоиды. Культивируемые клетки растений сохраняют присущую исходному виду растения способность синтезировать широкий спектр веществ вторичного метаболизма: алкалоиды, терпеноиды, гликозиды, полифенолы, полисахариды, эфирные масла, необычные пептиды и специализированные белки, натуральные красители, стероиды, пряности, инсектициды, воски, витамины.Промышленное выращивание клеток и тканей — продуцентов экономически важных веществ — новое направление биотехнологии. Если традиционные биотехнологии для получения ценных биологически активных веществ использовали целые организмы: микроорганизмы, растения, животных, то современная биотехнология нацелена на клеточные технологии, основанные на культивировании свободных и иммобилизованных клеток. Доказана возможность культуры клеток осуществлять биотрансформацию, то есть синтезировать некоторые биологически активные вещества из дешевых и доступных их предшественников. Эти “полупродукты” вторичных веществ не могут быть преобразованы химическим или микробиологическим путем, и только благодаря ферментам клеток в культуре происходит их химическое превращение в ценный конечный продукт. Культура клеток, для того чтобы стать объектом промышленного выращивания, должна выдержать конкуренцию с дикорастущими и культурными лекарственными, техническими растениями, а также с микробиологическим производством и химическим синтезом. По сравнению с традиционным растительным сырьем клеточные культуры обладают следующими преимуществами:1) независимость от влияния различных факторов окружающей среды (климат, сезон, погода, почвенные условия, вредители); 2) более высокий выход и качество продукта благодаря оптимизации и стандартизации условий выращивания; 3) экономия посевных площадей. Клетки in vitro — это новая, экспериментально созданная биологическая система, особенности которой, в том числе и функции вторичных соединений, еще мало изучены. Показано, что иногда у культивируемых клеток в специализированном обмене проявляются особенности, характерные для филогенетически ранних групп растений или ювенильной стадии развития растения. Недостаток фундаментальных знаний очень тормозит развитие технологии культивируемых клеток. Популяция клеток in vitro проходит определенный онтогенез: размножение (деление) — растяжение — дифференцировка — старение — смерть клеток. Соотношение клеток, находящихся на разных стадиях развития, меняется в зависимости от того, какой процесс преобладает. При изменении условий культивирования равновесие смещается в
ту или иную сторону. Дифференцировка каллусной клетки, вышедшей из цикла деления, заключается в ее специализации на синтезе видоспецифичных вторичных соединений.
11. Культура стволовых клеток
Понятие «стволовые клетки» (СК) впервые появилось в России еще в начале прошлого века. В 1908 году великий российский гистолог, профессор военно-медицинской академии в Санкт-Петербурге А.А.Максимов (1874-1928), изучая процесс кроветворения, пришел к выводу об их существовании. А.А. Максимов назвал клетку – прародительницу всех клеток крови – стволовой. В отличие от обычных клеток, стволовые клетки способны делиться неограниченное число раз. Они также сохраняют способность дифференцироваться в специализированные клетки, хотя в настоящее время еще не до конца понятно, какие факторы направляют СК по тому или иному пути дифференциации при их созревании. В ходе клеточного деления из стволовых клеток возникают материнская и дочерняя клетки. Материнские используются для самоподдержания популяции, а дочерние либо «выходят» в камбиальную клетку, либо непосредственно в дифференцировку. Стволовая клетка сохраняет свойства ранних эмбриональных клеток – плюрипотентность, а камбиальная эту способность утрачивает и производит лишь региональные структуры. Обнаружить стволовые клетки можно с помощью специальных методов (иммуногистохимической техники). Классификация стволовых клеток по способности к дифференцировке и источникам выделения.По способности к дифференциации СК классифицируют:1. Тотипотентные клетки - способны формировать все эмбриональные и экстраэмбриональные типы клеток. К ним относятся только оплодотворенный ооцит и бластомеры 2-8 клеточной стадии. 2. Плюрипотентные клетки – способны формировать все клетки эмбриона. К ним относятся эмбриональные стволовые клетки, первичные половые клетки и клетки эмбриональных карцином. Плюрипотентные стволовые клетки были выделены из мозга, мышц, кожи, желудочно-кишечного тракта, роговицы глаза, сетчатки глаза, печени и поджелудочной железы.3. Другие типы стволовых клеток – локализуются в сформировавшихся тканях взрослого организма (adult stem cells). Они варьируют по способности к дифференцировке от мульти- до унипотентных. Плюри (мульти - ) потентность - способность стволовых клеток дифференцироваться в несколько типов клеток различных органов. Унипотентные стволовые клетки способны образовывать только один тип дифференцированных клеток. Это означает, что они могут давать только строго определенные типы конечных дифференцированных клеток.По источнику выделения СК классифицируют:1. Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) – внутриклеточная масса раннего эмбриона (на этапе бластоцисты 4-7 недель развития).2. Фетальные стволовые клетки – клетки зародыша на 9-12 неделе развития, выделенные из абортивного материала.3. Стволовые клетки взрослого организма.В настоящее время по современной классификации к стволовым клеткам относят тотипотентные клетки морулы, плюрипотентные клетки бластоцисты, из которых в эмбриогенезе формируются все ткани организма, и мультипотентные региональные герминативные клетки (Orkin, Morrison, 2002). Терминология, применяемая в практике клеточных технологий. Ранее считалось, что во взрослом организме стволовых клеток нет, и существуют они лишь в самом раннем периоде эмбрионального развития. Однако в 70-х годах прошлого века А.Я. Фриденштейн с соавторами обнаружили стволовые клетки в мезенхиме (строме) «взрослого» костного мозга; в дальнейшем их стали называть стромальными клетками. Стромальные стволовые клетки (ССК) – мультипотентные стволовые клетки взрослого организма, образующие строму костного мозга (поддерживающую гемопоэз), имеющие мезенхимальное происхождение. Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) – мультипотентные СК, дающие начало всем клеткам крови: эритроцитам, В-лимфоцитам, Т-лимфоцитам, нейтрофилам, базофилам, эозинофилам, моноцитам, макрофагам и тромбоцитам. Кроме костного мозга ГСК обнаружены в системнои кровотоке и скелетных мышцах. Мезенхимальные стволовые клетки (МСК) – мультипотентные региональные СК, содержащиеся во всех мезенхимальных тканях (главным образом в костном мозге), способные к дифференцировке в различные типы мезенхимальных тканей, а также в клетки других зародышевых слоёв. Тканеспецифичные стволовые клетки – распологаются в различных видах тканей и в первую очередь, отвечают за обновление их клеточной популяции, первыми активируются при повреждении. Обладают более низким потенциалом, чем стромальные клетки костного мозга.