Дәріс: Жасушаларды өсіру жүйелері.

1.Жасушалар суспензиясы.

2.Иммобильденген жасушалар.

3.Қ осымша заттарды алу ү шін жү ргізілетін жұ мыстардың кезең дері.

Жасушаларды in vitro жағ дайында ө сірген кезде олардың ө суі мен биосинтездеріне ө сіретін жү йелердің техникалық кө рсеткіштерінің маң ызы зор. Ө сімдіктердің қ осымша заттарының биотехнология ө ндірісі кө бінесе сұ йық ортада ө сетін жасушаларғ а негізделген. Лаборатория жағ дайында қ осымша метаболизмді зерттеген кезде жасушалар ә деттегідей колбаларда кішігірім кө лемде (40-200 мл) ө сіріледі жә не айналмалы тербеушілерде араластырылады. Колбалардың айналу жылдамдығ ы (ә детінше минутына 90-120 айналым) жасушалардың ө суіне жә не метаболиттердің жинақ талуына ә сер етеді. Мысалы, итжидек пен ү йең кі жасушаларының айналу жылдамдығ ы тө мендегенде, олардың ө суі бә сең деген. Ал темекі жаушаларының ө суіне айналу жылдамдығ ы ә сер етпеген, тіпті жылдам айналдыру арқ асында оларда никотин синтезі арта тү скен.

Кө лемі шағ ын колбалардан кө п литрлік ферментерлерге ауысқ анда ө сіру кө рсеткіштері ө згереді, ә сіресе араластыру мен аэрациясы. Жасушалар суспензиясын ө ндірісте ө сіру ү шін микроорганизмдерге қ олданылатын аппараттарды қ олданады. Бірақ соң ғ ы зерттеулер кө рсеткендей, ө сімдік жасушалары ө здерінің ө згешеліктеріне қ арай ерекше аппараттарды қ ажет етеді.

Ө сімдік жасушаларының кө лемі бактериялар мен саң ырауқ ұ лақ тарғ а қ арағ анда 10 есе, тіпті 100 есе ірі келеді, мұ нымен қ атар онтогенезде де олардың кө лемі ө згереді. Бастапқ ы экспоненциялдық ө су фазасында олар майда жә не тығ ыз болса, стационарлық фазасында кө лемі ө сіп вакуолі пайда болады. неғ ұ рлым жасушаның кө лемі ү лкейсе, соғ ұ рлым оның араластыру арқ асында бү лінуінің қ ауіптілігі арта тү седі. Сонымен қ атар, ө сімдік жасушалары ірі жә не ауыр болғ ан соң оларды жақ сы араластырып тұ ұ ру қ ажет. Ө йтпесе олар ферментердің тү біне тү сіп, тез қ артаяды да ақ ырында жойылады.

Жень-шень жасушаларын турбиналық араластырғ ыштары болғ ан ферментерде ө сіргенде айналу жылдамдығ ы минутына 100-350 айналымнан асқ анда, соның теріс ә сері салдарынан жасушаларда антрахинондардың синтезі тө мендеген.

Штамның механикалық стресіне тө зімділігі жасушаларды ө сіргендегі маң ызды талап, ал зерттеушілер ү шін бұ л қ иын мақ сат. Суспензияны жұ мсақ араластырып ауамен қ амтамасыз етуге пневматикалық ә дісі қ олайлы, яғ ни ферментерге ауаның қ ысым кү шімен жоғ ары кө терілген ағ ыспен келген стерильді ауаны ү рлету. Бірақ юұ л ә дістің де кемшілігі бар, себебі суспензияда ауа артық мө лшерде болуы себебінен жасушалар оттегінің кемшілігіне тап болады. ал жасушалардың ө суі де, қ осымша метаболизмі де оттегі мө лшерімен тығ ыз байланысты.

Микроорганизмдерді ө сіретін жү йелерде биомассаның ө суі, ө нісді шығ ару жә не оттегімен қ амтамасыз ету арасындағ ы ө зара тә уелдігі зерттелген. Ал ө сімдіктер жө нінде мұ ндай деректер жоқ. Жасушалардың ө суіне басқ а газдар да ә сер етеді. Мысалы, кө мірқ ышқ ыл газы ө судегі лаг-фазаның ұ зақ тығ ына ық пал етеді. Ө те кү шті аэрация да теріс ә сер етуі мү мкін, себебі кө мірқ ышқ ыл газы мен ұ шқ ыш қ осылыстар айдалып ә кетіледі. Ө сімдік жасушалардың in vitro жағ дайында микроорганизмдермен салыстырғ анда тыныс алудың қ арқ ындылығ ы едә уір тө мен, оларды ө сіретін ыдыстарды дайындағ анда бұ л ескеретін жағ дай.

Жасушаларды ә р тү рлі ферментерлерде ө сіріп, олардың ө суі салыстырылғ ан. Мысалы, лимонжапырақ ты моринда жасушаларын ө сіргенде, антрахинон 30 % артық болғ ан. Ал басқ а тү рлі ферментерлермен салыстырғ анда тіпті екі есе артық болғ ан. Жасушалардың биомассасы биореактордың тү ріне байланысты болмағ ан.

Ө сімдік жасушалары сұ йық ортада жақ сы ө су ү шін тығ ыздық ты талап етеді. Ол мынандай кедергіні туғ ызады: биомассаның ө суімен қ оса суспензияның тұ тқ ырлығ ы да ө седі. Оның нгә тижесінде адгезия пайда болады, жасушалар бір-біріне, ыдыстың қ абырғ аларына, былғ ауы пен датчиктерге жабысып, ө сіруге бө гет жасайды.

Ыдыстың жоғ ары жағ ында жасушалар бө ліп шығ арғ ан белоктар мен полисахаридтерден тұ ратын кө бік біртіндеп жинала бастайды. Ө се келе кейбір жасушалар ө зара жабысып, осы кө бікте жиналып «қ абық ты» немесе «безені» тү зеді. Жасушалар биомассасы ө се келе бұ л қ абық та қ алың дайды, ақ ырында араластыру қ арқ ындылығ ы тө мендеп, жасушалар қ ұ риды.

Жалпы, ө сімдік жасушаларының, микроорганизмдермен салыстырғ анда, физиологиялық жә не метаболиттік активтілігі тө мен болады. ө сімдік жасушаның генерация уақ ыты (жасушаның кезекте екі бө лінуі арасындағ ы мерзім) микроб жасушаның генерация уақ ытынан 60-100 есе арта тү седі.

Иммобильденген жасушалар.

Агар қ осылғ ан қ атты қ оректік ортада ө сірген жасушалар сұ йық ортада ө сірген жасушаларғ а қ арағ анда қ осымша метаболиттерді кө бірек синтездейді. Тә жірибелер кө рсеткендей, борпылдақ қ арқ ынды ө сетін каллусқ а қ арағ анда тығ ыз баяу ө сетін каллус жасушалары алкалоидтарды артық жинақ тағ ан, яғ ни ә деттегі метаболизм жасушалардың кең істікте ә лдеқ андай ұ йымдасуын талап етеді. Жасушаның организмде жайғ асқ ан орны оның дифференциялану типі мен дә режесін белгілейтін факторлардың біреуі. Бір-бірінен аулақ танып немесе кішігірім топта ө сетін жасушалардың қ оршағ ан ортасы ерекше болғ андық тан метаболизм жолдары басқ аша болады. Жасушалардың ұ йымдасуы тұ тас организмге неғ ұ рлым жақ ын болса, соғ ұ рлым олардың метаболизм жолдары да ұ қ сас болуы мү мкін. Ө сірген жасушаларда қ осымша метаболиттердің жинақ талуы мен олардың дифференциялану дә режесінде ө зара байланысы бар екендігін ғ ылыми ә дебиеттегі бірталай деректер дә лелдейді.

Иммобаильденген жасушалар ө зара тығ ыз байланыста ө седі. Соынң нә тижесінде олардың массасының ішінде тұ тас организмдегідей, белгілі химиялық жә не физикалық градиенттер деп гормондар, қ оректік заттар, оттегі, кө мірқ ышқ ыл газы мө лшері ө згеруін тү сінуге болады.

Жасушаларды мынадай тө рт жолмен иммобильдеуге болады:

1)жасушаларды тү рлі оқ шау (инерттік) заттармен қ аптау (альгинат, агар, полиакрилаимд, коллаген, т.б.);

2)оқ шау заттың беткі қ абатына жасушаларды абсорбция арқ ылы орналастыру;

3)оқ шау заттың беткі қ абатына жасушаларды биологиялық макромолекулалармен (лектиндермен) «тігу»;

4)жасушаларды коваленттік байланыстар арқ ылы оқ шау субстратқ а орналастыру (мысалы, карбоксиметилцеллюлоза). Кө бінесе алғ ашқ ы екі тә сіл қ олданылады. Биологиялық жағ ынан оқ шау затқ а бекінген жасушалар ө з ө міршендігін сақ тайды. Бекіген жасушалар тө ң ірегінде қ оректік орта кө п мө лшерде жү ріп тұ рады, оның қ ұ рамын ө згертіп, ө су қ арқ ындылығ ын бә сең детіп, қ осымша заттарды кө бірек алуғ а болады.

Иммобильденген эжасушаларды концентрациясы тө мен алғ ашқ ы заттармен кө п мө лшерде қ амтамасыз ету керек. Бұ л алғ ашқ ы заттар биосинтез жолдарында алынып отырғ ан затқ а мү мкіншілігінше жақ ын болуы қ ажет. Иммобильденген жасушалар ұ зақ уақ ыт ө сірілетін болғ андық тан, бұ л тә сілге ө здері табиғ и жолмен немесе белгілі факторлардың ә серімен (тө мен температура, еріткіштер) қ ажетті заттарды сыртқ а бө ліп шығ ара алатын жасушаларды қ олдану керек. Қ ажетті затты тек ішінде, мысалы вакуоль мен пластидтерді жинақ тайтын жасушалар иммобильдендіруге жарамайды. Сонымен бірге жасушаларды шайып тұ рғ ан қ оректік ортаның ө зімен қ ажетті затты бө ліп алу оң ай емес.

Ө ндірісте қ олданылатын иммобильденген жасушаларды ө сіру ү шін биореактордың бағ ана тә різдісі қ олайлы, ө йткені мұ нда орын ү немделеді жә не жасушалар арқ ылы ағ ып жатқ ан қ оректік ортаны бақ ылау онайланады. Кейбір ө сімдіктер жасушалары метаболизм барысында жарық ты қ ажет етеді.

Иммобильденген жасушалар тү рлді заттардың биотрансформациясына да қ оданылуы мү мкін. Иммобильденген жасушалар технологияда ұ зақ уақ ыт пайдаланылатын болғ андық тан, биокатализ процесі арзанғ а тү седі. А.Альферман қ ызметтестерімен мынадай тә жірибе ө ткізген. Олар оймақ гү лдің (Digitalis lanata) альгинат гелімен қ апталғ ан жасушаларын (диаметрі 4-5 мм 50 тү йіршік) Эрленмейердің 100 мл-лық колбаларында 25 мл қ оректік ортада ө сірді. Биотрансформация ө тетін субстрат ретінде β -метилдигитоксин қ олданғ ан, ол тә жірибе барысында β -метилдигоксинге айналғ ан. Субстраты бар қ оректік орта ү ш кү н сайын алмастырылып тұ рғ ан. Осындай жағ дайда жасушалар 170 тә улік бойы субстраттың биотрансформациясын жү ргізіп, оны қ ажетті ө німге айналдырып тұ рғ ан. Жү рек ауруын емдеу ү шін дигоксин ө те тиімді. Бірақ, ө сімдікте оғ ан қ арағ анда дигитоксиннің мө лшері едә уіо артық. Екеуінің химиялық айырмашылығ ы – дигоксиннің 12-ші кө міртек атомында қ осымша гидроксил тобы бар. Оймақ гү лдің каллус жасушаларын биотрансформация реакцияларын ө ткізу ү шін пайдаланып жү ректік гликозидтарды ө ндіруг болады.

Сө йтіп, иммобильденген жасушалардың суспензияда ө скен жасушалармен салыстырғ анда мынадай артық шылық тары бар:

- биомассаны қ айта-қ айта ұ зақ уақ ыт пайдалану (жасушалар биреактор ішінде сақ тала береді, ал ө німдер қ оректік ортадан бө лініп алынады);

- жасушалардың қ озғ алысы шектелгендіктен, олар қ оректік ортағ а бө лініп шық пайды, онымен араласпайды;

- жасушалардың мол биомассасын сыйымдылығ ы шамалы ыдыстарда ө сіру;

- жасушаларды ұ зақ ө сіру;

- биотрансформация мү мкіншілігі.

Қ осымша заттарды алу ү шін жасушалық технологияларды дайындау жұ мысының кезең дері:

1.Экономика жағ ынан тиімді ө сімдікті таң дап алу. Ө сіруге алынатын ө сімдіктерде бағ алы, экономика жағ ынан маң ызды қ осымша заттары айтарлық тай жоғ ары мө лшерде болуы қ ажет. Ә сіресе бұ л жағ дайдың сирек кездесетін немесе жоғ алып бара жатқ ан ө сімдіктерге қ атысы бар.

2.in vitro жағ дайына ұ лпаны алғ ашқ ы енгізу. Ол ү шін қ ажетті зат жоғ ары мө лшерде синтезделетін жеке ө сімдіктер тандап алынады. Алдымен алғ ашқ ы каллустарда қ атты ортада ө сіріп алады.

3.Биомассада қ осымша заттардың сандық жә не сапалық қ ұ рамына химиялық зерттеу жү ргізу. Бө лініп жатқ ан каллус жасушаларында кө бінесе қ осымша затардың мө лшері бү тін ө сімдіктер мү шелеріне қ арағ анда аз болады. Бұ л тұ тас ө сімдікте қ осымша заттардың синтезі цитодифференцировканың бақ ылауында болатындығ ын дә леледейді. In vitro жағ дайында жасушалардың дифференциялануы басылғ анда немесе тежелгенде, қ осымша заттардың биосинтезі тө мендеуі мү мкін. Осы жағ дайды ескерген жө н. Жасушаның генетикалық мү мкіншіліктерінің толық іске аспауына басқ а себептер де бола алады, мысалы автотрофтық қ оректенуден айырылу. Сонымен қ атар, ә р тү рлі факторлардың ық палымен ө німдердіғ ң қ ұ рамы да ө згере алады. Кейбір ө сімдіктерде қ осымша заттардың метаболизмі ө су процесі бә сең дегенде басталады, сондық тан оларғ а алдымен қ арқ ынды ө суге, ал кейін заттардың биосинтезіне лайық ты жағ дай жасалады.