Вертикальное фермерство для будущих биофармацевтических препаратов выглядит оптимистичным.
Новые исследования по использованию контролируемой среды сельского хозяйства (controlled environment agriculture, CEA) для выращивания растений с лечебными свойствами могут привести к созданию методов производства, которые позволят увеличить количество одного противоракового соединения, естественным образом вырабатываемого определенными видами растений.
Исследование, проведенное в Университете Джорджии, США, под руководством докторанта Ребекки Мейнард, было направлено на выявление культур, которые можно использовать в медицинских целях, а также на разработку стратегий по повышению концентрации противоракового соединения, вырабатываемого растениями.
Работая с Руанито Феррарези, доцентом кафедры физиологии сельскохозяйственных культур CEA, Мейнард выращивала компактные культуры с коротким жизненным циклом - ромашку (Matricaria chamomilla) и петрушку (Petroselinum crispum) - в вертикальной фермерской среде. Исследователи измеряли выработку растениями апигенина - натурального противовоспалительного соединения с многообещающими противораковыми эффектами.
«Помимо цитрусовых, которые являются естественным источником апигенина с высокой урожайностью, но не подходят для вертикальной фермы, петрушка была указана как основной производитель апигенина, - пояснила Мейнард. - Хотя сообщалось, что ромашка производит меньше апигенина, чем петрушка, мы хотели поэкспериментировать с ней, поскольку это компактное растение, которое можно выращивать на вертикальной ферме».
В исследовании, опубликованном в журнале HortScience , два сорта ромашки - «Bodegold» и «Zloty Lan» - и три сорта петрушки - «Darki», «Giant of Italy» и «Wega» - выращивались на вертикальной ферме в помещении, чтобы изучить, как внутренняя среда влияет на выработку апигенина и размер растений.
Докторант Ребекка Мейнард наблюдает за стадией развития соцветий ромашки в вертикальной камере для выращивания. Автор фото: Кэти Уокер.
Через 15 недель зрелые листья петрушки и нераскрывшиеся цветки ромашки были собраны для анализа. В то время как сорт петрушки «Giant of Italy» дал самые крупные растения среди всех сортов, общее накопление апигенина было выше в ромашке «Bodegold» по сравнению с любым сортом петрушки, что также дало больше пригодной для использования биомассы.
«Апигенин также можно синтезировать химическим путем, но текущий подход - это многодневный четырехэтапный процесс, который не дает большого урожая, - сказала Мейнард. - Мы установили, что можем выращивать эти культуры круглый год на вертикальной ферме, так что это осуществимая альтернатива по среде выращивания».
С ростом инвестиций в вертикальное фермерство в США, выявление культур - как для потребления, так и для других целей - становится важным направлением исследований для отрасли.
«Все ищут альтернативную культуру, чтобы гарантировать, что вся эта дорогостоящая инфраструктура будет прибыльной. Мы не только изучали сами культуры, но и искали интересующее соединение в этих культурах. Именно эти виды были выбраны для этой цели, - добавляет Феррарези. - Если бы мы смогли доказать, что можем выращивать их, а затем извлекать интересующее нас соединение, это могло бы повысить прибыльность вертикальных ферм и сделать их финансово осуществимыми».
Первоначальное исследование, специально посвященное биофармацевтическим препаратам, помогло найти быстрорастущие и эффективные культуры, которые можно было бы выращивать в больших масштабах, что является важным фактором для рентабельности сельского хозяйства в контролируемых условиях.
Хотя рост большинства растений был успешным, Мейнард с удивлением обнаружила, что растения вырабатывали меньше апигенина, чем ожидалось. «Поскольку вторичные метаболиты часто вырабатываются в ответ на стресс, мы подумали, что более низкие уровни могут быть связаны с отсутствием ультрафиолетового света на вертикальной ферме», - сказала она. Вторичные метаболиты - это органические соединения, вырабатываемые организмами, которые не являются необходимыми для их роста, развития или размножения.
В последующем исследовании Мейнард добавила УФ-освещение в камеры роста при повторении эксперимента. Хотя эти результаты еще не опубликованы, Мейнард отмечает, что производство апигенина значительно увеличилось в сортах петрушки.
«Это захватывающий результат, но предстоит еще много работы, чтобы оптимизировать процесс до такой степени, чтобы мы могли разработать рекомендации для производителей по оптимизированным процедурам, - говорит Феррарези, чья лаборатория также проводит аналогичные исследования по извлечению алкалоидных противораковых соединений из барвинка мадагаскарского (Catharanthus roseus). - Мы выявляем стрессоры, которые могут повысить концентрацию этих алкалоидов. Поскольку УФ-излучение является сильным стрессором для растений, идея состоит в том, чтобы использовать его для скрининга других культур и молекул».
Мейнард, получившая степень бакалавра по химии, сосредоточила свою докторскую диссертацию на накоплении вторичных метаболитов, в частности апигенина, в определенных растениях, выращиваемых в контролируемых условиях.
Это первая публикация о биофармацевтических препаратах, выпущенная лабораторией Феррарези. Мейнард работает над публикацией второй статьи об исследовании перед защитой диссертации в марте.
«Мы узнали довольно много об этих соединениях и о том, как они активируются различными физиологическими процессами. Мы не занимаемся биохимией как таковой, но суть исследования заключается в поиске методов производства для растений, которые можно использовать для увеличения производства этих соединений. Мы сосредоточились на аспекте науки о растениях», заключает Феррарези.
Источник: University of Georgia.
На фото - два сорта ромашки и три сорта петрушки были выращены в гидропонных контейнерах с дополнительным светодиодным освещением. Автор фото: Ребекка Мейнард.