ПОЛУЧЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ СЫРЬЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

В настоящее время проблема увеличения продолжительности жизни и сохранения здоровья населения является одной из наиболее приоритетных. Как известно, обеспечение здорового образа жизни взаимосвязано с питанием. Как отмечает Всемирная организация здравоохранения здоровое питание на протяжении всей жизни способствует профилактике целого ряда заболеванийи нарушений здоровья [3]. При этом снижению развития множества заболеваний способствует присутствие в составе пищевых продуктов биологически активных веществ [1, с. 352], содержащихся в растениях.

На территории Российской Федерации произрастает около тысячи видов растений, из которых примерно 350 являются полезными и более 100 используются в медицине. Эти растения содержат биологически активные вещества, сочетание которых определяет фармакодинамику препаратов.

«Мягкость» действия и широкий спектр активности биологически активных веществ являются ключевыми преимуществами фармакологических препаратов из растительного сырья. Сегодня из растений получают треть всех лекарственных субстанций, которые применяются в медицинской практике. Структура многих субстанций настолько сложна, что дикорастущие или возделываемые растения еще долгое время будут оставаться их единственным источником.

Однако обратим внимание на то, что в производстве биологически активных веществ растительного происхождения на сегодняшний день наблюдается недостаток сырьевых ресурсов при выраженном росте их спроса. Кроме того, отметим, что многие из промышленно важных соединений, используемых в пищевой и фармацевтической промышленности, выделяют из тканей растений, которые часто принадлежат к редким видам.

До последнего времени биологически активные вещества получали из дикорастущих растений или из растений, выращиваемых на специальных плантациях. До 90 % видов растений, проданных в Европе, собраны из природных популяций и являются дикорастущими. Объем собираемых растений в европейском регионе составляет 20000-30000 тон в год, что в результате приводит к сверхэксплуатации запасов многих видов растений и ставит многие из них на грань исчезновения [4, c. 9].

Вышеуказанную проблему усугубляет то факт, что многие лекарственные растения относятся к редким видам, имеют ограниченный ареал распространения и характеризуются низкой концентрацией лекарственных субстанций.

Итак, возобновление природных источников биологически активных веществ является на сегодняшний день значительной проблемой. Сбор растений в дикой природе угрожает сохранению их видов, плантационное выращивание зачастую нерентабельно, а получаемое сырье часто отличается от дикорастущего.

Альтернативным источником получения биологически активных веществ являются клеточные культуры [12, с. 29]. Клеточные культуры как потенциальный источник получения физиологически и экологически безопасных растительных биологически активных веществ представляет собой надежную и удобную систему. Это обуславливается определенными свойствами культур клеток [7, с. 45]:

• возможность использовать для получения растительной биомассы стандартное оборудование микробиологических производств;
• относительно высокая скорость получения растительной биомассы;
• отсутствие в растительной биомассе каких-либо поллютантов (пестицидов, гербицидов, радиоактивных соединений и так далее);
• получение биомассы растений с необходимыми характеристиками в независимости от сезона, погодных и климатических условий;
• при использовании штамма-сверхпродуцента отмечается более высокое содержание целевого продукта, нежели в интактном растении.

Также отметим, что клеточные культуры растений могут использоваться не только для получения биологически активных веществ, но и для наработки таких терапевтических белков, как человеческий сывороточный альбумин, моноклональные антитела, иммуностимулирующие аллергенные белки, интерферон, человеческий гемоглобин и другие.

Тем не менее, несмотря на высокий интерес к клеточным культурам известны немногие случаи успешного применения этого метода (табл. 1).

Таблица 1.

Клеточные культуры растений, используемые для промышленного производства биологически активных веществ [10, 11]

Это обусловлено рядом причин:

• во-первых, продуктивность клеточных культур по целевым продуктам, как правило, недостаточна для организации рентабельного производства [15, с. 13];
• во-вторых, клеточные культуры являются сложными биотехнологическими объектами;
• в-третьих, период выращивания культур клеток длителен, чувствительность таких клеток к механическим воздействиям и их вариабельность in vitro высоки.

Следствием вышеназванного является значительная стоимость как биомассы, так и целевого продукта. Для рентабельного производства биологически активных веществ продуктивность культур клеток по целевым соединениям должна обеспечивать выход, который будет значительно превышать таковой из иных источников.

Вкратце представим особенности культивирования клеток растений. Стадия ферментации является ключевой стадией в биотехнологическом процессе, потому что в ходе нее происходит взаимодействие продуцента с субстратом и образование необходимых продуктов. Данная стадия осуществляется в биохимическом реакторе. Ферментация может происходить в строго асептических условиях и без соблюдения правил стерильности; на твердых и жидких средах; аэробно и анаэробно. Культивирование биологических объектов осуществляют в проточном и периодическом режимах, полунепрерывно с подпиткой субстратом. Целевые продукты образуются в экспоненциальной (первичные метаболиты – витамины, аминокислоты, ферменты) и стационарной (вторичные метаболиты – антибиотики) фазах. При этом биореактор периодически опорожняют, производят очистку и выделение продукта, и затем начинается новый цикл [5].

В качестве примера возможности получения в культурах клеток биологически активных веществ, использование которых имеет особую важность, приведем индольные алкалоиды [4, с. 16]. Индольные алкалоиды являются одной из самых многочисленных групп вторичных растительных метаболитов, которая включает такие противоопухолевые агенты как винкристин и винбластин. Особо обратим внимание на то, что использование винкаалкалоидов впервые позволило достигнуть высокого эффекта в лечении таких злокачественных заболеваний как меланомы, саркомы Капоши, рака носоглотки, молочной железы, почки, мочевого пузыря [2, 6, 9].

Винкристин и винбластин — это димерные индольные алкалоиды. Данные соединения получают из больших количеств барвинка Catharanthus roseus. В связи с тем, что интактные растения содержат низкие концентрации данных алкалоидов (0,0005 %), то использование клеточных культур является весьма актуальным [13, с. 433]. Тем не менее, ощутимый синтез индольных алкалоидов в клеток барвинка in vitro на сегодняшний день получить не удалось. Алкалоид винбластин состоит из 2 мономеров — виндолина и катарантина. Так как виндолин содержится в барвинке в большем количестве, чем винбластин, его стоимость относительно невысока [8, с. 352]. Катарантин можно выделить из клеточных культур по эффективной методике. Из мономеров получить необходимый димер можно путем ферментативной или химической реакции. Следовательно, проблему получения виндолина можно упростить до получения катарантина при помощи клеточных культур [14, с. 1307]. Влияние разных условий выращивания клеточных культур барвинка на выход катарантина—присутствие хлорида натрия, ванадил-сульфата, абсцизовой кислоты, элиситация, добавление предшественников, стресс на сегодняшний день подробно исследованы [16, 17]. В качестве ферментного препарата можно использовать сумму белков из культуры клеток Catharanthus roseus, однако использование химического катализа с добавлением боргидрата натрия, хлорида железа, малата и оксалата более эффективно [14].

Таким образом, использование клеточных культур для получения биологически активных веществ растительного происхождения приобретает особую актуальность, а исследования в области биотехнологии, молекулярной биологии, физиологии растений позволят изменить сложившуюся ситуацию в области промышленного получения биологически активных веществ биотехнологическими методами.

Список литературы:

1. Буркова Е.А., Канарский А.В., Канарская З.А. Перспектива применения фитобиотехнологии для получения биологически активных веществ // Вестник Казанского технологического университета. 2014. №14. С.352-356.
2. Гарин А.М. и др. Справочник по противоопухолевой лекарственной терапии. – М.: «Ультра-Мед», 1992. – 200 c.
3. Здоровое питание. Официальный сайт ВОЗ URL: www.who.int/ru/news-room/fact-sheets/detail/healthy-diet (дата обращения: 21.10.2018).
4. НОСОВ А. М. Использование клеточных технологий для промышленного получения биологически активных веществ растительного происхождения //Биотехнология. – 2010. – №. 5. – С. 8-28.
5. Пестряков Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик, А.Н., Основы микробиологии и биотехнологии: учебное пособие; Томск: Изд. Томского полит. унив. 2012 - 188 с.
6. Соломко Элисо Шаликовна, Степанова Е. В., Абрамов М. Е., Барышников А. Ю., Личиницер М. Р. Ингибиторы ангиогенеза растительного происхождения: перспективы использования в клинической онкологии // Российский биотерапевтический журнал. 2010. №4. С.3-10.
7. Abdin, M.Z. Enhancing bioactive molecules in medicinal plants // Natural Products-Essential resources for human sur vival [eds. Y. Zhu, B. Tan, B. Bay, C. Liu], — Singapore: World Scientific Publishing Co. Pvt. Ltd., 2007.—P. 45—57.
8. As lam, J. Screening of vincristine yield in ex vitro and in vitro somatic embryos derived plantlets of Catharanthus roseus L. (G) Don / J. Asiam, A. Mujib, S.A. Nasim, M.P. Sharma // Sci. Hort. — 2009. — V. 119. — P. 325—329.
9. Dolle R.E., Nelson K.H. Jr. Comprehensive survey of combinatorial library synthesis: 1998//J Comb Chem. – 1999. – 4. – P. 235–82.
10. Eibl, R., Eibl, D. Bioreactors for plant cell and tissue cultures // Plant biotechnology and transgenic plants [eds. K.M. Oks- man-Caldentey, W.H. Barx], —N.-Y.: Marcel Dekker, 2002.
11. McCoy, E. Natural products from plant cell cultures / E. McCoy, S.E. O’Connor // Prog. Drug Res. — 2008. — V. 65. — P. 330—370.
12. Mulabagal, V. Plant Cell Cultures – An Alternative and Efficient Source for the Production of Biologically Important Secondary Metabolites. International Journal of Applied Science and Engineering. (2004) Vol. 2. P. 29–48.
13. Oksman-Caldentey. K.M. Plant cell factories in the post geno-mic era: new ways to produce designer secondary metabolites / K.M. Oksman-Caldentey, D. Inze // Trends Plant Sci. — 2004. — V. 9. — P. 433—440.
14. Verma, A. A simplified procedure for indole alkaloid extracti¬on from Catharanthus roseus combined with a semi-synthe¬tic production process for vinblastine / A. Verma, I. Laakso, T.S. Laakso, A. Huhtikangas, M.L. Riekkola // Molecules. — 2007. —V. 12,—P. 1307—1315.
15. Verpoorte, R. Biotechnology for production of plant seconda¬ry metabolites / R. Verpoorte, A. Contin, J. Memelink // Phy- tochem. Rev. — 2002. — V. 1. — P. 13—25.
16. Zhao, J. Effects of stress factors, bioregulators, and synthetic precursor on indole alkaloid production in compact callus clusters cultures of Catharanthus roseus / J. Zhao, Q. Hu, Q. Guo, W.H. Zhu // Appl. Microbial. Biotechnol. — 2001. — V. 55. —P. 693—698.
17. Zhao, J. Enhanced catharanthine production in Catharanthus roseus cell cultures by combined elicitor treatment in shake flasks and bioreactors / J. Zhao, W. Zhu, Q. Hu // Enzyme Microb. Technol. — 2001. — V. 28. — P. 673—681.