Augu audu kultūras

Augu audu kultūras ir sterilas in vitro šūnu, audu, orgānu vai orgānu kopumu kultūras, kuras tiek audzētas ķīmiski un fiziski kontrolētos apstākļos. Visbiežāk in vitro kultūras izmanto, lai iegūtu no slimībām brīvus augus, strauji pavairotu augus ar retu genotipu, veiktu augu genotipa transformāciju un iegūtu komercionāli nozīmīgus augu metabolītus. Izmantojot mazus audu gabaliņus (eksplantus) ir iespējams iegūt vairākus tūkstošus augu klonus, brīvus no slimībām un patogēniem.Oseni, O. M., Pande, V., & Nailwal, T. K. (2018). A review on plant tissue culture, a technique for propagation and conservation of endangered plant species. Int J Curr Microbiol App Sci, 7(7), 3778-3786Espinosa-Leal, C. A., Puente-Garza, C. A., & García-Lara, S. (2018). In vitro plant tissue culture: means for production of biological active compounds. Planta, 248(1), 1-18. Augu audu kultūras iedala vairākos veidos — apikālo meristēmu, aksilāro pumpuru, kallusu, šūnu, suspensiju, protoplastu un embriju kultūrās.Gaikwad, A. V., Singh, S. K., & Gilhotra, R. (2017). Plant tissue culture-A review. SGVU J. Pharmacy. Res. Edu, 2(1), 217-220.

Visbiežāk audu augu kultūras audzē speciālos gaismas skapjos vai istabās ar kontrolējamu temperatūru, dažādu gaismas intensitāti un viļņu garumiem, kontrolējamu fotoperiodu un atsevišķos gadījumos arī gaisa mitruma kontroli. Temperatūru standarta augšanas apstākļos uzstāda starp 22 un 28 °C, specifiskās situācijās iestādot arī īsus aukstuma vai karstuma apstrādes periodus pie temperatūru maksimumiem 4 °C un 35 °C. Gaismas intensitāti tipiskos apstākļos uzstāda starp 50 un 100 μmol m−2 s−1, savukārt fotoperiodu — 16 stundas, atlikušās astoņas diennakts stundas iestata kā tumsas periodu.Phillips, G. C., & Garda, M. (2019). Plant tissue culture media and practices: an overview. In Vitro Cellular & Developmental Biology-Plant, 55(3), 242-257.

Mūsdienās visbiežāk izmantotā barotne ir Murashige & Skoog 1962. gadā sakomplektētā barotne, kuras pagatavošanai pētnieki salīdzināja dažādu makro- un mikroelementu ietekmi uz auga augšanu, izvēloties piemērotākās šo elementu koncentrācijas.Murashige T., Skoog F. 1962. A Revised Medium for Rapid Growth and Bio Assays with Tobacco Tissue Cultures. Physiologia Plantarum, 15: 473-497. Barotnēm tiek pievienoti arī augšanas regulatori jeb fitohormoni — citokinīni un auksīni, tie veicina un uztur augu augšanu un procesu attīstību, attiecīgi regulējot apikālo meristēmu un sakņu veidošanos.Amiri, S., Mohammadi, R., & Akbari, R. (2019). The effects of cytokinin and auxin interactions on proliferation and rooting of seedless grapevine (Vitis vinifera L.) cv.‘Sultanine’. Erwerbs-Obstbau, 61(1), 85-92.

 Suspensiju kultūru iniciēšana un uzturēšana 

Lai iegūtu ekstraktus no augu šūnu kultūrām visbiežāk tās tiek audzētas suspensiju kultūrās, kuras tiek veidotas no dediferencētām augu šūnām. Lai tās iegūtu nepieciešama kāda auga daļa, kurai veic virsmas dezinficēšanas procedūras, tad dezinficēto auga gabalu uzliek uz agarizētas barotnes petri platē, kur augšanas regulatoru klātbūtnē veidojas dediferenciētu šūnu masa, ko sauc par kallusiem. Taču, lai no kallusa iegūtu šūnu suspensiju kultūru, irdenu kallusa daļu ieliek barības vielām, vitamīniem un augšanas regulatoriem bagātinātā šķidrajā barotnē. Izmantojot dažādas metodes, piemēram, pipetēšanu, homogenizē šūnu kultūru, iegūstot viendabīgu kultūru ar labu masapmaiņu, kā arī vielmaiņu standartizētos apstākļos.Mustafa, N. R., De Winter, W., Van Iren, F., & Verpoorte, R. (2011). Initiation, growth and cryopreservation of plant cell suspension cultures. Nature protocols, 6(6), 715-742.Eibl, R., Meier, P., Stutz, I., Schildberger, D., Hühn, T., & Eibl, D. (2018). Plant cell culture technology in the cosmetics and food industries: current state and future trends. Applied Microbiology and Biotechnology, 102(20), 8661-8675.

Šūnu suspensiju uzturēšanai nepieciešama barības vielu pieplūde, ko, audzējot kolbās, var nodrošināt ar trīs dažādām metodēm: 1) Šūnu svēršanas metodē, izmantojot filtrēšanu, atdala svaigo biomasu no barotnes un noteiktu šūnu masu iesver jaunā kolbā ar zināmu svaigas barotnes tilpumu, šajā gadījumā lielāka iespējamība kontaminācijai; 2) Šūnu pipetēšana paredz ar seroloģisko pipeti pārnest konkrētu šūnu tilpumu jaunā kolbā un tai pievienot konkrētu tilpumu svaigu barotni, arī šajā gadījumā kontaminācijas iespēja pastāv; 3) Šūnu pārliešana ir ātrākā metode ar mazāko kontaminācijas risku, taču arī zemu reproduktivitāti, šajā gadījumā kultūru sadala pa vairākām kolbām un pievieno svaigu barotni.

Suspensiju šūnu kultūras jāpārliek svaigā barotnē katru nedēļu, reizi divās nedēļās līdz reizei mēnesī, atkarībā no auga sugas specifikas un biomasas augšanas ātruma.

Bioaktīvo komponentu kvantitāte un kvalitāte atkarīga no auga sugas, attīstības posma, auga daļas, no kuras iegūta audu kultūra (eksplants), kā arī no augšanas regulatoriem, kombinējot auksīnu un citokinīnu veidu un koncentrācijas.

 Suspensiju kultūras un to raksturojums 

Pasaulē ir vairākas augu sugas, kas ražo plašu vielu klāstu, kuru var izmantot farmācijas, pārtikas un kosmētikas rūpniecības nozarēs, parasti šīs vielas iegūst no visa auga, izmantojot dažādas ekstrakcijas metodes. Taču veselu augu kultivēšana uz lauka var radīt dažādas neērtības, jo pastāv sezonālās variācijas, klimata pārmaiņas un epidemioloģiskas saslimšanas. Iepriekš minētie faktori padara augu šūnu izmantošanu metabolītu ražošanai kā alternatīvu metodi ekstrakcijai no auga. Augu audu kultūrām optimizētos apstākļos bioreaktoros ir vairākas priekšrocības metabolītu ražošānā, piemēram, pieejamība neatkarībā no paša auga un iespēja sintezēt jaunus savienojumus.Villegas, A., Arias, J. P., Aragón, D., Ochoa, S., & Arias, M. (2017). First principle-based models in plant suspension cell cultures: a review. Critical reviews in biotechnology, 37(8), 1077-1089.

Lai iegūtu lielu koncentrāciju sekundāro metabolītu, piemēram, fenolus, terpenoīdus un alkaloīdus, ir nepieciešama ievērojama augu biomasa, taču suspensiju kultūrās, mākslīgi papildus tās stresinot jeb elicitējot ar abiotiskiem vai biotiskiem faktoriem, var panākt lielāku sekundāro metabolītu sintēzi. Pārsvarā nav atrastas noderīgas ķīmiskas alternatīvas, kurām būtu līdzīga specifika vai efektivitāte kā dabiskajiem sekundārajiem metabolītiem.Narayani, M., & Srivastava, S. (2017). Elicitation: a stimulation of stress in in vitro plant cell/tissue cultures for enhancement of secondary metabolite production. Phytochemistry reviews, 16(6), 1227-1252.

Suspensiju kultūrām, līdzīgi kā mikroorganismiem, var noteikt augšanas cikla fāzes — lag, eksponenciālo jeb logoritmisko un stacionāro fāzi. Lag fāzes laikā notiek kultūras adaptācija, kad netiek novērots straujš biomasas pieaugums. Pēc tās eksponenciālajā fāzē kultūra sasniedz maksimālo augšanas ātrumu, bet fāzes beigu posmā kultūras biomasa pieaug lineāri. Stacionārās fāzes iestāšanos novēro tad, kad ir beidzies kāds no barotnes komponentiem, piemēram, oglekļa avots, tādēļ kultūras biomasas augšanas ātrums samazinās vai paliek nemainīgs.

 Augu audu kultūras pielietojums biotehnoloģijā 

Augi ir senākie resursi dabīgo savienojumu ieguvei medicīnas un kosmētikas nozarēs, un mūsdienās, lai sevi nodrošinātu ar pamata veselības vajadzībām, 70 — 80 % cilvēku izmanto augu izcelsmes produktus. Mūsdienu medicīnā uz augu savienojumu bāzes balstīti 11% medikamentu, un vēl augstāks procentuālais daudzums kosmētikas produktu. Augu ekstrakti kosmētikā kļūst arvien pieprasītāki to dabīgo sastāvdaļu dēļ, kuri papildus estētiskam izskatam var nodrošināt dažādus uzlabojumus cilvēka veselībā. Lielākā daļa fitoķīmisko vielu, piemēram polifenoli, fenolu skābes, flavanoīdi, saponīni, triterpēni, steroīdi, kartenoīdi, steroli, taukskābes, polisaharīdi, cukuri, peptīdi, u.c., var tikt ekstraģēti izmantojot piemērotus šķīdinātājus un izmantoti kā aktīvie savienojumi medicīnā un kosmētikas produktos. Ekstraktos atrodamās fitoķīmiskās vielas uzrāda dažādas farmakoloģiski vērtīgas īpašības, piemēram, antioksidantu, antimikrobiālu, antivirālo, pretvēža, antifungālo, pretiekaisuma, pretalerģijas, u.c., kā arī mitrinošās, pretnovecošanas, pret grumbu un UV aizsardzības īpašības.Georgiev, V., Slavov, A., Vasileva, I., & Pavlov, A. (2018). Plant cell culture as emerging technology for production of active cosmetic ingredients. Engineering in Life Sciences, 18(11), 779-798.Tripathi, Nagesh K., and Ambuj Shrivastava. "Recent developments in bioprocessing of recombinant proteins: expression hosts and process development." Frontiers in bioengineering and biotechnology 7 (2019): 420.

Augu audu kultūrām ir liela nozīme arī pārtikas ieguvē, nodrošinot pārapdzīvotās valstis ar iespēju ātri un kvantitatīvi iegūt kvalitatīvus augus, piemēram, peļņa par banānkokiem, kuri 16 kultivēti audu kultūrās, sasniegusi ap 591%, salīdzinājumā ar tradicionāli kultivētiem banānkokiem.El-Sherif, N. A. (2018). Impact of plant tissue culture on agricultural sustainability. In Sustainability of Agricultural Environment in Egypt: Part II (pp. 93-107). Springer, Cham.

Viens no svarīgākajiem aspektiem augu audu kultūrās ir procesu mērogošana. Ir svarīgi tādi aspekti, kā gāzapmaiņas ietilpība — lai nodrošinātu pietiekamu skābekļa/ogļskābās gāzes pieplūdi, maisīšanas veids — lai novērstu barības vielu trūkumu vai bīstamu blakusproduktu ražošanu, un fototrofisms, kuru nodrošināt visa reaktorā vienādā apmērā ir sarežģīti.Werner, S., Maschke, R. W., Eibl, D., & Eibl, R. (2018). Bioreactor technology for sustainable production of plant cell-derived products. Bioprocessing of plant in vitro systems, 413-432.

 Atsauces 

Kategorija:Biotehnoloģija