pietrasiuk-furmanowa.pdf

PRACE PRZEGL¥DOWE

Biotechnologia roœlin w ochronie

zdrowia cz³owieka

Agnieszka Pietrosiuk, Miros³awa Furmanowa

Katedra i Zak³ad Biologii i Botaniki Farmaceutycznej,

Akademia Medyczna, Warszawa

Plant biotechnology in human healthcare

Summary

Biotechnology is one of science, technique and economic areas, which de-

velops quickly and continuously. Important role in pharmaceutical sciences plays

plant biotechnology which is advanced technology applying productive poten-

tial of alive cells in industrial processes, or serving for improvement of plants

using genetic or epigenetic methods. It also gives many possibilities for obtain-

ing new sources of secondary metabolites and opens up new areas in health-

care. Apart from many medicines produced by chemical synthesis, plant-derived

natural substances are still of great importance in medicine. Such substances

tend to have complicated chemical structures so that their chemical synthesis is

uneconomic. Plant biotechnology offers an opportunity to exploit cells, tissues

and organs or whole plants by growing them in vitro and to genetically manipu-

late them to obtain desired compounds.

The development of new areas of molecular biology, for example functional

genomic, gives a possibility of comprehensive investigations of biological sys-

tems. It could contribute to enhancing the production of known and novel sec-

ondary metabolites in plant cells.

Moreover, an important branch of studies is the use of genetically modified

plants to obtain edible vaccines in plants, antibodies, plant-derived recombi-

nant proteins and biologically active substances.

Adres do korespondencji

Agnieszka Pietrosiuk,

Katedra i Zak³ad Biologii

i Botaniki Farmaceutycznej,

Akademia Medyczna,

ul. Banacha 1,

02-097 Warszawa;

e-mail:

ap@farm.amwaw.edu.pl

Key words:

plant biotechnology, secondary metabolites, healthcare.

1. Wstêp

Biotechnologia jest jednym z szybko i ci¹gle rozwijaj¹cych

siê obszarów nauki, techniki i gospodarki. Zgodnie z klasyfikacj¹

przyjêt¹ przez Organizacjê Wspó³pracy Gospodarczej i Rozwoju

4 (75) 116–123 2006

Biotechnologia roœlin w ochronie zdrowia cz³owieka

(ang. Organization for Economic Co-Operation and Development ) jak i Uniê Europejsk¹

mo¿na wyró¿niæ nastêpuj¹ce umowne obszary biotechnologii, czêsto oznaczane ko-

lorami: biotechnologiê zielon¹ zwi¹zan¹ przede wszystkim z rolnictwem, biotech-

nologiê czerwon¹ wykorzystywan¹ w ochronie zdrowia, biotechnologiê bia³¹ wyko-

rzystuj¹c¹ systemy biologiczne w produkcji przemys³owej i ochronie œrodowiska

oraz biotechnologiê niebiesk¹ , która zajmuje siê biotechnologi¹ alg i innych foto-

syntetyzuj¹cych form morskich (39,42).

Biotechnologia, dziêki zastosowaniu nowoczesnych technik biologii molekular-

nej jest dzisiaj interdyscyplinarn¹ dziedzin¹ wiedzy, o wielkich mo¿liwoœciach ryn-

kowych. Z tradycyjnej biotechnologii fermentacyjnej, przekszta³ci³a siê w g³ówn¹

technologiê s³u¿¹c¹ poszukiwaniu nowych œrodków leczniczych, szczepionek i œrod-

ków diagnostycznych (20).

2. Znaczenie biotechnologii roœlin w ochronie zdrowia cz³owieka

Biotechnologia roœlin zaliczana jest do obszaru biotechnologii zielonej. Realn¹

szans¹ dla biotechnologii zielonej jest wykorzystanie jej w produktach biotechnolo-

gii czerwonej i bia³ej (39).

Biotechnologia roœlin jest to zaawansowana technologia wykorzystuj¹ca poten-

cja³ produkcyjny ¿ywych komórek w procesach przemys³owych b¹dŸ s³u¿y do ulep-

szania roœlin przy u¿yciu metod genetycznych lub epigenetycznych.

Roœliny s¹ Ÿród³em cennych metabolitów wtórnych powstaj¹cych w komórkach

roœlinnych na drodze wyspecjalizowanej przemiany materii. Do najwa¿niejszych far-

maceutyków pochodzenia roœlinnego nale¿¹: ajmalicyna, artemisyna, ajmalina, ber-

beryna, chinina, digoksyna, diosgenina, kamptotecyna, kapsaicyna, kastanospermi-

na, kodeina, kolchicyna, eliptycyna, emetyna, forskolina, ginsenozydy, morfina, podo-

filotoksyna, rezerpina, sanguinaryna, szikonina, paklitaksel oraz winkrystyna i win-

blastyna (36). Wiele z tych zwi¹zków otrzymywanych jest ju¿ metodami biotechno-

logicznymi (1-4,6-8,12,14,31,32,35,36,44,45).

Poza wieloma lekami produkowanymi metod¹ syntezy chemicznej du¿e znacze-

nie w medycynie maj¹ nadal substancje naturalne uzyskiwane z roœlin. Czêsto s¹ to

fizjologicznie silnie dzia³aj¹ce po³¹czenia, które z chemicznego punktu widzenia

maj¹ tak skomplikowan¹ strukturê, ¿e ich synteza chemiczna jest nieop³acalna (5).

Przyk³adem jest paklitaksel, który wprawdzie otrzymano, z ró¿n¹ wydajnoœci¹, na

drodze ca³kowitej syntezy (17,25). Jednak, na proces syntezy paklitakselu sk³ada siê

a¿ 39 etapów, co powoduje, ¿e nie jest on op³acalny ekonomicznie (30).

Biotechnologia roœlin daje wiele mo¿liwoœci otrzymywania Ÿróde³ wtórnych me-

tabolitów i substancji naturalnych biologicznie czynnych. S¹ to: roœliny lecznicze

uzyskane w hodowli in vitro (z uwzglêdnieniem gatunków zagro¿onych, wysoko wy-

dajnych odmian roœlin modyfikowanych pod wzglêdem metabolicznym), kultury tka-

nek i organów roœlinnych: hodowla zawiesinowa, pêdów, korzeni (z uwzglêdnie-

BIOTECHNOLOGIA 4 (75) 116-123 2006

117

Agnieszka Pietrosiuk, Miros³awa Furmanowa

niem hodowli na wiêksz¹ skalê), nowe Ÿród³a, takie jak algi i inne fotosyntetyzuj¹ce

formy morskie, korzenie transgeniczne, roœliny genetycznie modyfikowane wytwa-

rzaj¹ce przeciwcia³a i szczepionki (13).

Prowadzone s¹ badania dotycz¹ce zastosowania genetycznie modyfikowanych

roœlin w leczeniu najbardziej wyniszczaj¹cych chorób, takich jak, cukrzyca, choroby

nowotworowe czy wirusowe jak wœcieklizna, AIDS.

Powszechnie biotechnologia roœlin uto¿samiana jest z organizmami genetycznie

modyfikowanymi (GMO). Jednak¿e nie mniej wa¿n¹ i stosowan¹ ju¿ od ponad piêæ-

dziesiêciu lat jest starsza czêœæ biotechnologii zwana metod¹ kultur in vitro .

Metody mikrorozmna¿ania roœlin zarówno leczniczych jak i u¿ytkowych maj¹

du¿e znaczenie praktyczne. S¹ alternatywn¹ metod¹ do pozyskiwania roœlin z wa-

runków naturalnych i upraw w gruncie, a ponadto posiadaj¹ wiele zalet. S¹ uniezale¿-

nione od pór roku, warunków klimatycznych, pozwalaj¹ na zwiêkszenie wspó³czyn-

nika mno¿enia roœlin, otrzymanie jednorodnych genotypów, otrzymanie roœlin wol-

nych od wirusów, mno¿enie roœlin nie wytwarzaj¹cych nasion, otrzymanie roœlin

o zmienionej liczbie chromosomów, wyselekcjonowanie roœlin o danym fenotypie

lub genotypie, ochronê gatunków zagro¿onych wyginiêciem. W Katedrze i Zak³a-

dzie Biologii i Botaniki Farmaceutycznej Akademii Medycznej w Warszawie prowa-

dzone s¹ badania, w których wykorzystywane s¹ techniki biotechnologiczne do mi-

krorozmna¿ania, otrzymywania kultur komórkowych, kultur tkankowych, somatycz-

nych nasion oraz organów transgenicznych wielu roœlin leczniczych (5,7-9,12-14,17,

25,27,28,30-34,40,44-46).

Mno¿enie roœlin w kulturze in vitro mo¿e nastêpowaæ bezpoœrednio poprzez

p¹ki szczytowe i boczne oraz zarodki, czyli z istniej¹cych merystemów lub poœred-

nio przy udziale tkanki kalusowej lub powstaj¹cych bezpoœrednio na eksplantatach

merystemów przybyszowych. Z praktycznego i farmaceutycznego punktu widzenia,

mno¿enie roœlin z istniej¹cych tkanek merystematycznych nie jest trudne pod wzglê-

dem technicznym, a otrzymane tym sposobem roœliny s¹ identyczne pod wzglêdem

genetycznym z roœlinami, od których pobrano tkanki.

Bardziej wydajn¹ metod¹, daj¹c¹ wiêkszy wskaŸnik, jest mno¿enie przy udziale

tkanki kalusowej, lecz w przeciwieñstwie do regeneracji roœlin z istniej¹cych mery-

stemów istnieje tutaj niebezpieczeñstwo zaistnienia zmian somaklonalnych, czyli

uzyskania roœlin zmienionych genetycznie. Zjawisko zmiennoœci somaklonalnej jest

czêsto wykorzystywane przez hodowców do otrzymywania nowych odmian, zw³asz-

cza roœlin ozdobnych.

Roœliny mog¹ byæ regenerowane na drodze somatycznej embriogenezy, czyli

wskutek podzia³ów mitotycznych pojedynczych roœlinnych komórek somatycznych,

które mog¹ byæ indukowane do wytworzenia zarodka, a nastêpnie ca³ej roœliny. So-

matyczny zarodek jest identyczny jak zarodek powsta³y z zap³odnienia komórki ja-

jowej. Embrioidy tworz¹ siê zwykle z powierzchniowych komórek tkanki kalusowej

lub obwodowych w kulturach zawiesinowych. Istotny wp³yw na wytwarzanie siê

tzw. kalusa embriotwórczego mog¹ mieæ zwi¹zki azotowe czy te¿ auksyny, np. kwa-

118

PRACE PRZEGL¥DOWE

Biotechnologia roœlin w ochronie zdrowia cz³owieka

sy: -naftalenooctowy, 2,4-dichlorofenoksyoctowy, -naftoksyoctowy czy -indoli-

looctowy. Rodzaj u¿ytej auksyny do wytworzenia kalusa embriotwórczego, jej stê-

¿enie i sposób stymulowania tkanek do tworzenia somatycznych embrioidów jest

zale¿ny od badanego gatunku. Somatyczn¹ embriogenezê zaobserwowano u ponad

150. gatunków. Somatyczna embriogeneza jest jedn¹ z najwydajniejszych metod

mno¿enia roœlin in vitro , np. metoda rozmna¿ania Carum carvi drog¹ somatycznej

embriogenezy znacznie zwiêksza wskaŸnik mno¿enia, pozwala na otrzymanie 2000

roœlin,z1gkalusa (14,41).

Opracowano technologiê otrzymywania syntetycznych nasion wielu roœlin lecz-

niczych. Nasiona, somatyczne zarodki, merystemy pêdów lub korzeni, ziarna py³ku

mog¹ byæ zatapiane w sztucznych otoczkach, np. z alginianu wapnia z dodatkiem

substancji od¿ywczych. Nasiona te z powodzeniem s¹ wykorzystywane do mikroroz-

mna¿ania, d³u¿szego przechowywania oraz transportu roœlin, co ma zastosowanie

praktyczne (14,46).

Tkanka kalusowa mo¿e wytwarzaæ wtórne metabolity, jak w przypadku Arnebia

euchroma lub mo¿e byæ u¿yta do za³o¿enia kultury zawiesinowej (35).

Biotechnologiczna produkcja zwi¹zków naturalnych w kulturach komórek roœ-

linnych jest atrakcyjn¹ alternatyw¹ ich pozyskiwania, jakkolwiek produkcja w takiej

kulturze jest bardzo niska. Dlatego niezbêdne jest zastosowanie okresowych ho-

dowli dwuetapowych. W pierwszym etapie stosuje siê po¿ywki wzrostowe powo-

duj¹ce namno¿enie du¿ej iloœci biomasy a¿ do osi¹gniêcia fazy stacjonarnej, w dru-

gim natomiast p³ynne pod³o¿a produkcyjne – stymuluj¹ce wytwarzanie po¿¹da-

nych zwi¹zków (33).

W wielu przypadkach mo¿na zwiêkszyæ wytwarzanie metabolitów przez zasto-

sowanie w hodowli elicytorów, takich jak jasmonian metylu, kwas salicylowy czy

sole metali ciê¿kich lub poprzez biotransformacjê z tanich prekursorów, np. pro-

dukcja salidrozydu i rozawiny w hodowli zawiesinowej Rhodiola rosea (10,11). Kla-

sycznym przyk³adem biotransformacji by³o otrzymanie beta-metylodigoksyny z be-

ta-metylodigitoksyny w kulturze komórkowej Digitalis lanata (1).

Hodowla zawiesinowa mo¿e byæ prowadzona w kolbach na wytrz¹sarkach, a tak-

¿e na wiêksz¹ skalê w bioreaktorach. Niektóre wtórne metabolity produkowane s¹

w skali przemys³owej przez roœlinne kultury komórkowe. S¹ to szikonina, purpury-

na, berberyna, polisacharydy, winkamina, kwas rozmarynowy, geraniol (4,6).

Kultura zawiesinowa do tej pory odnios³a tylko ograniczony sukces komercyjny.

Spowodowane jest to tym, ¿e nieznane s¹ jeszcze wszystkie szlaki biosyntezy meta-

bolitów wtórnych w komórkach roœlinnych. Rozwój nowych dziedzin biologii mole-

kularnej, np. genomiki funkcjonalnej stwarza mo¿liwoœæ szczegó³owych badañ syste-

mów biologicznych, w tym biosyntezy metabolitów wtórnych. Techniki stosowane

w genomice funkcjonalnej mog¹ wp³yn¹æ na zwiêkszenie produkcji znanych i odkry-

cie ca³kiem nowych metabolitów wtórnych nie spotkanych wczeœniej w naturze (26).

Rozwój technik genetycznych stworzy³ nowe mo¿liwoœci w zakresie biotechno-

logii roœlinnej, m. in. poprzez rozwój kultur organów transgenicznych, takich jak

BIOTECHNOLOGIA 4 (75) 116-123 2006

119

Agnieszka Pietrosiuk, Miros³awa Furmanowa

korzenie transformowane lub teratomy pêdowe. Technologia transformacji roœlin

sta³a siê wielofunkcyjnym systemem dla hodowli i ulepszania roœlin leczniczych, jak

równie¿ dla badañ funkcji genów w roœlinie.

Zdolnoœæ do produkcji wtórnych metabolitów zwi¹zana jest z procesem organo-

genezy – tkanki zró¿nicowane roœlin otrzymane w hodowli in vitro zawieraj¹ wiêk-

sze iloœci wtórnych metabolitów ni¿ tkanka niezorganizowana, jak¹ jest kalus.

W korzeniach wielu gatunków roœlin przebiega proces biosyntezy oraz groma-

dz¹ siê metabolity wtórne. Dlatego te¿ korzenie transformowane s¹ cennym mate-

ria³em roœlinnym. Korzenie transgeniczne uzyskuje siê, m. in. w wyniku transforma-

cji materia³u roœlinnego przy u¿yciu bakterii z rodzaju Agrobacterium – A. rhizogenes

jako naturalnego wektora lub przez bezpoœrednie wprowadzenie T-DNA z plazmidu

Ri A. rhizogenes do tkanki roœlinnej. W wyniku ekspresji genów znajduj¹cych siê

w T-DNA zmienia siê metabolizm komórki roœlinnej w nastêpstwie, czego powstaj¹

korzenie. Przyrost biomasy korzeni uzyskanych t¹ metod¹ nastêpuje bardzo szybko.

S¹ one równie¿ zdolne do syntezy wtórnych metabolitów charakterystycznych dla

korzeni rosn¹cych w gruncie. Ponadto hodowla korzeni transformowanych jest eko-

nomicznie korzystna, gdy¿ korzenie te nie wymagaj¹ regulatorów wzrostu oraz

rosn¹ na po¿ywkach o obni¿onej zawartoœci mikro- i makroelementów. W kulturach

korzeni transformowanych znaleziono takie wa¿ne dla lecznictwa zwi¹zki jak: alka-

loidy tropanowe (skopolaminê i hioscyjaminê), alkaloidy indolowe, chinolinowe (chi-

ninê), glikozydy kardenolidowe, poliacetyleny i tiofeny, ginsenozydy, antrachinony,

naftochinony, paklitaksel. Korzenie transformowane s¹ równie¿ zdolne do regene-

racji ca³ych roœlin i utrzymania ich genetycznej stabilnoœci podczas dalszego pasa-

¿owania i regeneracji roœlin (7,15,29,31-34,38).

Roœliny transgeniczne mo¿na równie¿ otrzymaæ poprzez wprowadzenie do ge-

nomu roœliny obcego genu za pomoc¹ zrekombinowanych plazmidów Agrobacterium

tumefaciens i nastêpuj¹c¹ regeneracjê ca³ej roœliny z pojedynczej komórki. Wprowa-

dzony gen mo¿e zawieraæ sekwencje DNA warunkuj¹ce nowe po¿yteczne cechy, ta-

kie na przyk³ad, jak odpornoœæ na herbicydy, szkodniki, choroby roœlin.

Wa¿nym kierunkiem badawczym jest tak¿e wprowadzanie transgenicznych roœ-

lin do produkcji szczepionek doustnych i rekombinowanych bia³ek oraz œrodków

i preparatów leczniczych (43).

Podjêcie tych badañ by³o mo¿liwe dziêki opracowaniu efektywnych metod trans-

formacji roœlin u¿ytkowych, a tak¿e dziêki zidentyfikowaniu wysoce immunogen-

nych epitopów bia³ek wirusowych oraz antygenów mikroorganizmów chorobotwór-

czych dla ludzi i zwierz¹t. Bia³ka powstaj¹ce w komórce roœlinnej na matrycy egzo-

gennego DNA maj¹ identyczny sk³ad aminokwasów, ulegaj¹ podobnym modyfika-

cjom i wykazuj¹ analogiczne w³aœciwoœci jak te pojawiaj¹ce siê w procesach patoge-

nezy w organizmie gospodarza (18,19,22).

Szczepionki podjednostkowe zawieraj¹ oczyszczone preparaty rozmaitych anty-

genów lub kombinacje ró¿nych antygenów. Obecnie, otrzymuje siê je ze zrekombi-

nowanych wirusów, bakterii lub dro¿d¿y. Mo¿liwe jest równie¿ wytwarzanie szcze-

120

PRACE PRZEGL¥DOWE

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: