Физиологические основы преимущества иммобилизованных растительных клеток перед традиционными способами культивирования
В литературе имеются многочисленные данные о том, что существует положительная корреляция между накоплением вторичных метаболитов и степенью дифференцировки в культуре клеток. Кроме того, лигнин, например, откладывается в трахеидах и сосудистых элементах ксилемы только после завершения процессов дифференцировки, что было показано в экспериментах как in vivo, так и in vitro. Полученные данные свидетельствуют о том, что дифференциация и накопление вторичных продуктов обмена веществ происходит в конце клеточного цикла. При снижении роста процессы дифференциации ускоряются.
Изучение содержания алкалоидов, накапливаемых многими растениями in vitro, показало, что компактные, медленно растущие культуры клеток содержат алкалоиды в больших количествах, чем рыхлые, быстро растущие культуры. Организация клеток необходима для их нормального метаболизма. Наличие организованности в ткани и ее последующее действие на различные физические и химические градиенты — четкие показатели, по которым различаются высоко- и низкопродуктивные культуры. Очевидно, что иммобилизация клеток обеспечивает условия, приводящие к дифференциации, упорядочивает организацию клеток и способствует тем самым высокому выходу вторичных метаболитов.
1. Клетки, иммобилизованные в или на инертном субстрате, образуют биомассу гораздо медленнее, чем растущие в жидких суспензионных культурах.
Какова же связь между ростом и метаболизмом? При чем здесь клеточная организация и дифференцировка? Предполагают, что эта взаимосвязь обусловлена двумя типами механизмов. Первый механизм основан на том, что рост определяет степень агрегации клеток, оказывая косвенное влияние на синтез вторичных метаболитов. Организация в данном случае является результатом агрегации клеток, а достаточная степень агрегации может быть получена только в медленно растущих культурах. Второй механизм связан с кинетикой скорости роста и предполагает, что «первичный» и «вторичный» пути метаболизма по-разному конкурируют за предшественники в быстро и медленно растущих клетках. Если условия среды благоприятны для быстрого роста, то в первую очередь синтезируются первичные метаболиты. Если быстрый рост блокирован, то начинается синтез вторичных метаболитов. Таким образом, низкая скорость роста иммобилизованных клеток способствует высокому выходу метаболитов.
2. Кроме медленного роста иммобилизация клеток позволяет им расти в тесном физическом контакте друг другом, что благоприятно отражается и на химических контактах.
В растении любая клетка окружена другими клетками, но ее положение меняется в ходе онтогенеза в результате деления как этой, так и окружающих клеток. От положения клетки в растении зависит степень и тип дифференциации этой клетки. Следовательно, физическое окружение клетки влияет на ее метаболизм. Каким образом? Регуляция синтеза вторичных метаболитов находится как под генетическим, так и под эпигенетическим (внеядерным) контролем, то есть любые изменения в цитоплазме могут привести к количественным и качественным изменениям в образовании вторичных метаболитов. В свою очередь, цитоплазма представляет собой динамическую систему, находящуюся под влиянием окружающей среды.
Из внешних условий на метаболизм существенное влияние оказывают 2 важных фактора: концентрация кислорода и углекислого газа, а также уровень освещения. Свет играет роль и в процессе фотосинтеза, и в таких физиологических процессах, как деление клеток, ориентация микрофибрилл, активация ферментов. Интенсивность и длина световой волны определяется положением клетки в массе других клеток, то есть зависят от степени организованности ткани. В организованной структуре существуют центробежные градиенты концентрации О2 и СО2, которые играют исключительно важную роль в процессе дифференциации.
Таким образом, вторичный метаболизм в крупных агрегатах клеток с небольшим отношением площади к объему (S/V) отличается от такового изолированных клеток и мелких групп клеток в результате действия градиентов концентрации газов. Аналогично действуют градиенты регуляторов роста, питательных веществ, механического давления. Условия окружения у диспергированных клеток и клеток в виде агрегатов различны, поэтому пути метаболизма у них также различаются.