Биотехнология създаване на изкуствени асоциациикултивирани клетки от висши растения с
Създаване на изкуствени асоциации на култивирани клетки от висши растения с микроорганизми
Цели на създаване на клетъчни асоциации
Създаването на изкуствени асоциации е ново, сравнително младо направление в клетъчното инженерство за получаване на нови клетки и клетъчни системи чрез въвеждане на микроорганизми в клетки или в популации от клетки на култивирани растения. Експерименталните клетъчни системи се наричат асоциации.
Асоциациите могат да бъдат както вътреклетъчни (ендосимбиотичен тип), така и междуклетъчни (екзосимбиотичен тип).
В първия случай микроорганизмите се въвеждат в изолирани протопласти на висши растения. Във втория растителните клетки и тъкани се култивират съвместно с микроорганизми.
При създаването на асоциации се приема, че клетките и техните популации трябва да придобият нови свойства поради наличието на микроорганизми в тях.
Целите на създаването на популации:
1. Експериментална проверка на хипотезата на теорията за симбиотичния произход на еукариотната клетка, която вероятно е преминала през етапите на ендо- и екзосимбиоза. Реконструкция на отделни етапи от еволюционния процес на симбиогенезата.
2. Симулация на естествени симбиотични взаимоотношения между растения и микроорганизми, които играят огромна роля в процеса на фиксиране на атмосферния азот (осигуряване на свързани с азот естествени екосистеми, както и агроценози).
3. Повишаване продуктивността на растителните клетки, произвеждащи икономически важни вещества.
4. Получаване на растения с нови свойства, при условие че връзките, които се развиват между партньорските клетки по време на съвместното култивиране, се запазват в регенерираните растения. В литературата се обсъжда възможността за подобряване по този начин.селскостопански растения, както и получаване на растения със способност за автономна азотфиксация.
Първите две цели са важни за решаването на теоретични проблеми на биологията, последните две са с подчертано приложен характер.
Подобрете производителността на културите
Една от целите на култивирането на растителни клетки е получаването на важни за медицината и редица отрасли вещества. За да бъде рентабилно производството, е необходимо да се култивират върху прости по състав хранителни среди. В същото време медиите са доста сложни по състав и включват витамини, хормони, източници на въглеродно хранене, тъй като клетките в културата са хетеротрофи или имат ограничена способност да фотосинтезират. Комбинацията в култивирани клетки на способността за фотосинтеза и биосинтеза на специфични продукти е малко вероятна. Следователно въвеждането в такива култури на микроорганизми, синтезиращи субстрати за растеж на растителни клетки или прекурсори за биосинтеза на полезни вещества, изглежда много изкушаващо.
Има опит от смесено култивиране в микробиологията. Това показва, че системите от микроорганизми са по-ефективни от монокултурите. Те се използват за пречистване на отпадъчни води, получаване на ензими, биологично активни вещества (ауксини, витамини, антибиотици). Смята се, че смесени популации ще намерят приложение в биотехнологиите, включително комбинации от няколко щама микроорганизми, както и представители на растителното и животинското царство.
Подобряването на селскостопански растениявключва получаване на растения, способни да фиксират молекулярен азот.
При торене се използва от 30 до 50% от вложения азот. Друг начин за прием на азот е биологичната фиксациямолекулярен азот. По-голямата част от него се извършва от азотфиксиращи симбионти, но този процес е характерен само за някои видове висши растения и микроорганизми. За увеличаване на дела на биологичната азотна фиксация се използват 3 подхода:
1. Инокулация с азотфиксиращи микроорганизми (бактериални торове). Недостатък е ниската преживяемост на въведените чисти култури и изместването им от естествената почвена микрофлора.
2. Създаване на азотфиксиращи растения чрез генно инженерство. Предлага се въвеждане наnifгени в протопластите на висшите растения. Препятствия по този път: процесът изисква голямо количество енергия, която не е в растителната клетка, също така няма транспортни системи, резерви от желязо и молибден, необходими за синтеза на нитрогеназа, няма системи за защита на нитрогеназата от инактивиране от кислород.
3. Въвеждане на цели азотфиксиращи организми в растенията. Такива асоциации трябва да вземат предвид особеностите на организацията на естествените азотфиксиращи симбиози:
- почтеността на двамата партньори,
- интегриране на партньори в макросимбионтния организъм,
- относителна изолация на макросимбионта.
С помощта на клетъчното инженерство е възможно да се осъществява жизнената дейност на азотфиксиращите организми в клетките и тъканите на култивираните растения. В този случай е възможно да се проверят голям брой комбинации от партньори. В процеса на самоусъвършенстване също е възможно партньорите да се адаптират един към друг. В допълнение, бактериалните симбионти могат да бъдат интегрирани в растителните тъкани, като същевременно се запази тяхната непокътнатост, което ще защити нитрогеназата от кислорода, освободен от растението по време на фотосинтезата.
Понастоящем тези разпоредби могат да бъдат потвърдени от редица експерименти.