Potencjał kultur komórkowych jako źródła biomasy roślinnej bogatej w bioaktywne związki

• Strona główna
• Artykuły
• Potencjał kultur komórkowych jako źródła biomasy roślinnej bogatej w bioaktywne związki

2016-05-11  / Autor: Małgorzata Kikowska, Uniwersytet Medyczny im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu

Konsumenci coraz częściej świadomie wybierają produkty bez syntetycznych składników, posiadające etykiety z deklarowaną zawartością „naturalnych ekstraktów”, „ekstraktów ziołowych” czy „składników pochodzenia naturalnego”.

Zapotrzebowanie na preparaty z pogranicza leków i kosmetyków zaowocowało powstaniem „kosmeceutyków”, czyli produktów, które oprócz działania pielęgnacyjnego wykazują działanie lecznicze lub wspomagające leczenie. Na szczęście świat roślin to niewyczerpane źródło cennych substancji kosmetycznych pochodzenia naturalnego. W kosmeceutykach znalazły zastosowanie ekstrakty roślinne oraz związki roślinne z różnych grup chemicznych, mające aktywność głównie przeciwutleniającą, spowalniającą proces starzenia i regenerującą. Nawet jeżeli ekstrakty używane są w minimalnych ilościach w produktach kosmetycznych, zawarte w nich związki mogą działać w sposób synergistyczny, potęgując żądane działanie.

W kosmetykach stosowane są głównie ekstrakty lub związki izolowane z roślin uprawianych tradycyjnie w gruncie. Jednak wydajność plonów i jakość surowców nie zawsze są zadowalające. Pozyskiwanie ekstraktów z roślin gruntowych napotyka na liczne trudności, do których należą: ograniczona dostępność surowca (dla gatunków rzadkich, ginących, objętych ochroną gatunkową, endemitów, roślin z innych stref klimatycznych i geobotanicznych, gatunków niezawiązujących nasion lub o niskiej sile kiełkowania), słaby wzrost roślin i sezonowość ich uprawy. Ponadto surowiec roślinny z uprawy gruntowej jest niejednorodny i często charakteryzuje się niską zawartością związków bioaktywnych.

Otrzymywanie biomasy roślinnej
Biotechnologia roślin gwarantuje prowadzenie kultur w ściśle kontrolowanych, powtarzalnych  warunkach, zgodnie z wymogami dobrej praktyki wytwarzania (GMP, GLP). W warunkach in vitro (w szkle) jednorodny materiał roślinny dostępny jest przez cały rok, niezależnie od sezonowości i cyklu rozwojowego roślin. Surowce otrzymywane w kulturach in vitro pozbawione są zanieczyszczeń środowiskowych, patogenów i pestycydów. Ponadto komórki hodowane w warunkach laboratoryjnych rzadko zawierają związki toksyczne czy potencjalnie uczulające. Produkcja metabolitów w biomasie roślinnej może zostać w warunkach in vitro przyspieszona i zintensyfikowana za pomocą różnych metod biotechnologicznych. Pozyskiwane związki charakteryzują się taką samą stereospecyficznością, jaka występuje w naturze, co istotnie decyduje o ich aktywności biologicznej. Ekstrakcja materiału roślinnego z kultur in vitro jest łatwiejsza i krótsza.

Otrzymywana w warunkach in vitro biomasa roślinna to najczęściej kultury komórkowe, czyli niezróżnicowane komórki kalusa lub zawiesiny, hodowane w warunkach pełnej aseptyki. Przy dobrze dobranych parametrach wzrostu i rozwoju kultury, komórki mogą podlegać intensywnym podziałom i produkować znaczne ilości bioaktywnych związków.

Przed założeniem odpowiedniej kultury należy przeprowadzić ocenę zawartości metabolitów wtórnych roślin gruntowych, a następnie wyselekcjonować najkorzystniejszy genotyp/chemotyp. W kolejnym etapie procesu wybiera się odpowiedni eksplantat (fragment rośliny), optymalizuje skład pożywki hodowlanej (głównie w zakresie makro- i mikroskładników, źródła węgla i azotu oraz regulatorów wzrostu i rozwoju roślin) oraz warunki fizyko-chemiczne (m.in. spektrum i natężenie napromieniowania, temperatura, skład gazowy i wilgotność powietrza) do indukcji namnażania komórek kalusa. Odróżnicowane komórki rozpoczynają podziały, w wyniku których następuje namnożenie biomasy. Kalusy różnią się rodzajem i liczbą komórek, strukturą, barwą, konsystencją i zdolnościami rozwojowymi. Po ustabilizowaniu kultur konieczna jest selekcja linii kalusa o dobrych parametrach wzrostu oraz wysokiej i stabilnej produkcji metabolitów wtórnych. Z ustabilizowanego i luźnego kalusa otrzymuje się kultury komórkowe w zawiesinie, definiowane jako kultury pojedynczych komórek lub agregatów komórkowych w płynnych pożywkach, powstałe w wyniki wytrząsania i stopniowej dyspersji kalusa. Po stabilizacji i selekcji linii komórkowej, zawiesinę można poddać zabiegom biotechnologicznym, mającym na celu zwiększenie produkcji bioaktywnych związków. Kolejnym etapem jest rozszerzenie skali hodowli z laboratoryjnej na przemysłową. Dobór właściwej metody ekstrakcji oraz ekstrahentów umożliwia otrzymanie więcej niż jednego aktywnego związku z tej samej biomasy roślinnej.

Zastosowanie kosmetyczne
Istnieją doniesienia o zastosowaniu kosmetycznym całych treści komórek w postaci homogenatów z roślinnych kultur komórkowych, otrzymanych po dezintegracji ścian i błon komórkowych za pomocą wysokiego ciśnienia[8]. Przewagą homogenatów jest możliwość zachowania aktywności substancji, w tym czynników wzrostu. Ponadto wyższość zastosowania całej treści komórkowej nad wyizolowanymi czystymi substancjami stanowi synergizm działania wszystkich składników komórkowych, do których zaliczane są sole, kwasy, fenole, cukry, lipidy, białka i inne grupy, które mogą odegrać korzystną rolę w ochronie komórek macierzystych skóry. Taką technologię opracowała i wdrożyła firma Mibelle AG Biochemistry, która w swojej ofercie posiada homogenaty z Malus domestica, Vitis vinifera, Argania spinosa, Saponaria pumila czy Rosa pendulina. Technologia ta zakłada umieszczanie zawartości biomasy komórkowej w zawiesinie zawierającej liposomy, środek konserwujący i przeciwutleniacz, a następnie poddanie jej homogenizacji wysokociśnieniowej, podczas której składniki lipofilowe zamykane są wewnątrz liposomów, a komponenty hydrofilowe ulegają rozpuszczeniu w wodzie. Uzyskany produkt jest cieczą barwy bursztynowej. Komórki tych roślin (jabłoń, winorośl, argania, mydlnica czy róża) pochodzą z kultur komórkowych hodowanych na dużą skalę, dzięki opracowaniu metod indukcji i proliferacji opartych na odpowiednim doborze eksplantatu i warunków hodowli. Niezbędna jest jedynie niewielka ilość materiału roślinnego do produkcji dużych ilości wysokiej jakości składników aktywnych. Firma ta opracowała surowce roślinne oparte na idei „roślinnych komórek macierzystych”, otrzymanych metodami kultur in vitro.

Z kolei technologie oparte na homogenizacji biomasy, a następnie jej ekstrakcji i zagęszczeniu, prowadzące do otrzymania żółtego/bursztynowego proszku oraz na zamykaniu ekstraktów z całych komórek w glicerynie, opracowała włoska firma Institutio di Ricerche Biotecnologiche. W swojej ofercie posiada ona ekstrakty z kultur zawiesinowych Echinacea angustifolia, Leontopodium alpinum, Buddleja davidii, Gardenia czy Centella.

"Roślinne komórki macierzyste"
Międzynarodowy Rejestr Surowców Kosmetycznych (INCI) jako składniki kosmetyków wymienia ekstrakty czy filtraty pozyskiwane z kalusa i kultur komórkowych, zapoczątkowanych z różnych eksplantatów (owoce, liście, korzenie) kilkudziesięciu gatunków roślin. Otrzymana metodami biotechnologicznymi biomasa komórkowa zwana jest często „roślinnymi komórkami macierzystymi”.

CAŁY ARTYKUŁ ZNAJDĄ PAŃSTWO W NR 1/2016 KWARTALNIKA "CHEMIA I BIZNES. RYNEK KOSMETYCZNY I CHEMII GOSPODARCZEJ". ZAPRASZAMY.

przemysł kosmetycznykultury komórkowekomórki macierzyste