Биологи впервые создали две долгоживущие культуры из клеток бересклета Максимовича, одна из которых была выращена при свете, а другая — в темноте. Обе культуры способны синтезировать и накапливать антоцианы, обладающие медицинским значением как антиоксиданты, а также длинноцепочечные жирные кислоты и триацилглицерины — молекулы, используемые для хранения энергии. Исследователи продемонстрировали, что изменяя условия выращивания культур, можно контролировать, какие соединения клетки будут преимущественно производить — антоцианы или жирные кислоты с очень длинной цепью.
Полученные результаты могут открыть возможности для разработки технологий промышленного производства фармацевтически ценных соединений из культуры клеток бересклета Максимовича. Исследование, финансируемое Российским научным фондом (РНФ), было опубликовано в журнале Plant Physiology and Biochemistry.
Исследователи из Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН и Российского университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы в Москве провели изучение некоторых соединений, которые синтезируются клеточной культурой бересклета Максимовича (Euonymus maximowiczianus).
Внешний вид клеток и клеточных культур бересклета Максимовича. Источник: Роман Сидоров.
Плоды этого растения обладают высокой способностью накапливать липиды (жиры). В отличие от целых растений, клеточные культуры имеют ряд преимуществ: они быстро растут и размножаются, при этом обычно производят те же вещества, что и исходные растения.
В качестве источника клеточной культуры исследователи использовали нетипичные для культивирования части растений — присемянники. Эти ткани окружают семена и служат для накопления масел, жирных кислот и каротиноидов — красно-оранжевых пигментов.
Авторы предварительно стерилизовали поверхность присемянников, чтобы предотвратить возможное заражение бактериями и грибами, после чего поместили их на питательную среду.
Через две недели ученые получили каллус — образование из недифференцированных клеток. В отличие от дифференцированных клеток растений, каллус способен синтезировать любые соединения, так как потенциально обладает свойствами любой растительной клетки. Он стал основой для создания двух клеточных культур: одну выращивали в темноте, а другую — на свету, предполагая, что биохимические процессы в клетках будут различаться в зависимости от уровня освещения.
Влияние изменений условий освещения на накопление антоцианов и жирных кислот с очень длинной цепью в культурах клеток бересклета Максимовича. Источник: Роман Сидоров.
Затем исследователи выяснили, сколько потенциально полезных соединений присутствует в обеих культурах. Анализ показал, что они активно синтезировали и накапливали триацилглицерины — важный источник энергии для живых организмов — а также жирные кислоты с очень длинной цепью. Эти кислоты растения используют как энергетические запасы и для внутриклеточного транспорта различных веществ. В медицине жирные кислоты с очень длинной цепью являются предшественниками ценных соединений, таких как нервоновая кислота, которая применяется для восстановления после травм.
Кроме того, клетки бересклета Максимовича активно синтезировали антоцианы — пигменты, которые придают яркую красно-фиолетовую окраску некоторым растениям, таким как краснокочанная капуста и черника, и обладают антиоксидантными свойствами. Антоцианы защищают растения от активных форм кислорода, которые могут повреждать мембраны, белки и ДНК. Благодаря своему яркому цвету и положительным физиологическим эффектам антоцианы находят широкое применение в пищевой промышленности. Исследования показали, что культура клеток, выращиваемая на свету, накапливала примерно в три раза больше антоцианов по сравнению с клетками, растущими в темноте.
Затем авторы переместили культуры, которые росли в темноте, на свет, а те, что находились на свету, перенесли в темноту. Перенос клеток из темноты на свет увеличил содержание антоцианов в восемь раз. В то же время общее количество жирных кислот с очень длинной цепью снизилось на 50%. У культуры, переведенной из света в темноту, уровень антоцианов упал до значений, характерных для клеток, которые постоянно развиваются в темноте, а количество жирных кислот возросло на 78%.
Исследователи также изучили влияние метилжасмоната на накопление антоцианов и жирных кислот с очень длинной цепью.
Жасмонаты часто применяются для обработки растительных клеток с целью увеличения синтеза биологически активных веществ. Результаты эксперимента показали, что обработка метилжасмонатом удваивает уровень антоцианов и увеличивает количество жирных кислот в 5,5 раз в клеточной культуре, выращенной в темноте.
В культуре клеток, находящихся под светом, аналогичные показатели возросли в 4 и 3,6 раза соответственно. Таким образом, метилжасмонат и свет способствовали преобладающему синтезу антоцианов, тогда как метилжасмонат в условиях темноты способствовал выработке жирных кислот с очень длинной цепью. Это позволило авторам сделать вывод о наличии конкуренции за общий предшественник между синтезом антоцианов и жирных кислот с очень длинной цепью в растительных клетках, которая зависит от условий освещения.
Влияние обработки метилжасмонатом на содержание антоцианов и жирных кислот с очень длинной цепью в культурах клеток бересклета Максимовича. Источник: Роман Сидоров.
«В ходе наших экспериментов мы выяснили, как можно направить клетку на преимущественный синтез необходимых биотехнологам соединений, таких как определенные жирные кислоты или антоцианы. Эти результаты могут быть применены в фармацевтике для эффективного получения лекарственного сырья. В будущем мы намерены исследовать дополнительные способы регулирования биосинтеза интересующих нас соединений и повышения продуктивности клеточных культур», — делится информацией участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Артем Фоменков, научный сотрудник Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН.
Источник: пресс-служба Российского научного фонда.
Автор графического резюме работы Роман Сидоров.