Биологи научились управлять синтезом ценных соединений из бересклета | Новости науки

Биологи впервые получили две долгоживущие культуры из клеток бересклета Максимовича, выращивая одну из них на свету, а другую — в темноте. Обе культуры синтезируют и накапливают антоцианы, имеющие медицинское значение в качестве антиоксидантов, а также длинноцепочечные жирные кислоты и триацилглицерины — молекулы для запасания энергии. 

Московске ученые показали, что, меняя условия выращивания культур, можно управлять тем, какие именно соединения клетки будут преимущественно синтезировать — антоцианы или жирные кислоты с очень длинной цепью. Полученные данные потенциально позволят разработать технологии для промышленного получения фармацевтически ценных соединений из культуры клеток бересклета Максимовича. 

Кустарники и деревья рода бересклет (Euonymus) широко распространены в Северном полушарии. Несколько сотен веществ, обладающих противоопухолевой, противомикробной и противодиабетической активностью, синтезируются бересклетами, что определяет использование этих растений в медицине. Тем не менее, для многих видов бересклета спектр таких соединений и пути их синтеза еще не изучены. Среди них могут оказаться вещества, актуальные для пищевой и фармацевтической промышленности.

Исследователи из Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН (Москва) и Российского университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы (Москва) изучили некоторые соединения, синтезируемые культурой клеток бересклета Максимовича (Euonymus maximowiczianus), плоды которого накапливают большое количество липидов (жиров). В отличие от целых растений, культуры клеток имеют ряд преимуществ: они быстро растут и размножаются, при этом, как правило, синтезируют те же самые вещества, что и исходные растения. В качестве источника клеточной культуры ученые использовали нетипичные для культивирования органы растений — присемянники. Это ткани, окружающие семена, в которых растения запасают масла, жирные кислоты и каротиноиды — красно-оранжевые пигменты.

Авторы предварительно простерилизовали поверхность присемянников, чтобы избежать дальнейшего заражения бактериями и грибами, а затем 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. Каллус послужил основой для создания двух клеточных культур: одну выращивали в темноте, другую — на свету, предполагая, что биохимические процессы в клетках будут различаться в зависимости от освещенности.

Затем ученые определили, сколько потенциально ценных соединений содержится в обеих культурах. Анализ показал, они интенсивно синтезировали и накапливали триацилглицерины — важный источник энергии для живых организмов, — а также жирные кислоты с очень длинной цепью. Последние используются растениями в качестве энергетических запасов, а также участвуют во внутриклеточном транспорте различных веществ. В медицине жирные кислоты с очень длинной цепью служат предшественниками ценных соединений, например, нервоновой кислоты, использующейся для восстановления после травм.

Кроме того, клетки бересклета Максимовича в большом количестве синтезировали антоцианы — пигменты, придающие некоторым растениям, например краснокочанной капусте и ягодам черники, яркую красно-фиолетовую окраску и обладающие антиоксидантными свойствами. Так, антоцианы защищают растения от активных форм кислорода, способных повредить мембраны, белки и ДНК. Благодаря яркому цвету и физиологическим эффектам антоцианы широко используются в пищевой промышленности. Авторы определили, что культура клеток, растущая на свету, накапливала примерно в три раза больше антоцианов, чем клетки, растущие в темноте.

Затем авторы поместили культуры, выращиваемые в темноте, на свет, а те, что были на свету, — наоборот, в темноту. Перенос клеток из темноты на свет в восемь раз повысил в них количество антоцианов. Общее содержание жирных кислот с очень длинной цепью у них, напротив, снизилось на 50%. Количество антоцианов у культуры, перенесенной со света в темноту, упало до показателей клеток, постоянно растущих в темноте, а количество жирных кислот возросло на 78%.

Также исследователи проверили, как на накопление антоцианов и жирных кислот с очень длинной цепью влияет метилжасмонат. Жасмонатами часто обрабатывают растительные клетки, чтобы они синтезировали больше биологически активных веществ. Эксперимент показал, что обработка метилжасмонатом повышает количество антоцианов в 2 раза и количество жирных кислот в 5,5 раз в культуре клеток, выращенной в темноте. Аналогичные показатели увеличились в 4 и 3,6 раза в культуре клеток, растущих на свету. 

Таким образом, метилжасмонат и свет способствовали преимущественному синтезу антоцианов, а метилжасмонат и темнота — выработке жирных кислот с очень длинной цепью. Это позволило авторам предположить, что в растительных клетках между синтезом антоцианов и жирных кислот с очень длинной цепью существует конкуренция за единый для них предшественник, которая разрешается по-разному в зависимости от освещения.

«Наши эксперименты показали, как можно заставить клетку преимущественно синтезировать нужные биотехнологам соединения — определенные жирные кислоты или антоцианы. Это можно использовать в фармацевтике для эффективного получения лекарственного сырья. В дальнейшем мы планируем исследовать, каким образом еще можно регулировать биосинтез интересующих нас соединений и повысить продуктивность клеточных культур», — рассказал участник проекта Артем Фоменков, научный сотрудник Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Plant Physiology and Biochemistry.