اطلاعات عمومی,ویکی ژن
ریشههای مویین و تولید متابولیتهای ثانویه
مقدمهای بر ریشههای مویین و تولید متابولیتهای ثانویه
یکی از مهمترین کاربردهای صنعتی کشت بافت گیاهی، تولید ترکیبات ارزشمند طبیعی است که با عنوان متابولیتهای ثانویه شناخته میشوند. برخلاف متابولیتهای اولیه مانند قندها، اسیدهای آمینه، پروتئینها و لیپیدها که برای رشد و ادامه حیات گیاه ضروری هستند، متابولیتهای ثانویه بیشتر در دفاع گیاه در برابر عوامل بیماریزا، گیاهخواران، تنشهای محیطی و همچنین در جذب گردهافشانها نقش دارند.
با وجود آنکه این ترکیبات برای بقای مستقیم گیاه ضروری نیستند، بسیاری از آنها برای انسان ارزش دارویی، غذایی، آرایشی و صنعتی فراوانی دارند. آلکالوئیدهایی مانند آتروپین و اسکوپولامین، داروهای ضدسرطان نظیر وینبلاستین و وینکریستین، آرتمیزینین، تاکسول، رزوراترول، رنگدانهها، اسانسها و بسیاری از آنتیاکسیدانهای گیاهی در همین گروه قرار میگیرند.
مشکل اصلی این است که بیشتر این مواد در گیاهان طبیعی با غلظت بسیار کم تولید میشوند و استخراج آنها نیازمند کشت وسیع، زمان طولانی و گاهی برداشت گونههای کمیاب یا در معرض خطر است.
به همین دلیل، پژوهشگران سالهاست از روشهای کشت بافت برای تولید پایدار این ترکیبات استفاده میکنند. در میان سیستمهای مختلف کشت بافت، کشت ریشههای مویین (Hairy Root Culture) یکی از موفقترین روشها برای تولید متابولیتهای ثانویه محسوب میشود، زیرا ضمن حفظ ویژگیهای تخصصی بافت ریشه، سرعت رشد بالا و پایداری ژنتیکی مناسبی نیز دارد.
ریشه مویین
ریشه مویین نوعی ریشه نابجا است که در اثر آلوده شدن بافت گیاهی به باکتری Agrobacterium rhizogenes با نام جدید ایجاد میشود. این باکتری بخشی از DNA خود (T-DNA) را که حاوی ژنهای rol است، به ژنوم سلول گیاهی منتقل میکند. بیان این ژنها سبب تغییر الگوی رشد سلولها و تشکیل ریشههایی با ویژگیهای خاص میشود.
ریشههای مویین معمولاً انشعاب فراوان، رشد سریع، تراکم زیاد ریشههای جانبی و قابلیت رشد طولانیمدت در محیط کشت بدون نیاز به تنظیمکنندههای رشد را نشان میدهند. این ویژگی ناشی از تغییرات ژنتیکی پایدار ایجادشده در سلولهای گیاهی است. در حالی که بیشتر ریشههای حاصل از کشت بافت برای ادامه رشد به اکسین نیاز دارند، ریشههای مویین معمولاً بدون افزودن هورمون نیز رشد مطلوبی دارند؛ بنابراین هزینه محیط کشت کاهش یافته و نگهداری آنها سادهتر است.
راهکارهای افزایش تولید متابولیتهای ثانویه
بسیاری از متابولیتهای ثانویه فقط در بافتهای تخصصیافته تولید میشوند. هنگامی که سلولها به صورت کالوس یا سوسپانسیون سلولی کشت میشوند، بخش زیادی از تمایز بافتی خود را از دست میدهند و در نتیجه مسیرهای بیوسنتزی برخی ترکیبات کاهش یافته یا متوقف میشود. در مقابل، ریشههای مویین ساختمان بافتی خود را حفظ میکنند و از نظر فیزیولوژیک شباهت زیادی به ریشه طبیعی دارند؛ بنابراین فعالیت بسیاری از مسیرهای متابولیکی اختصاصی ریشه نیز حفظ میشود.
از سوی دیگر، رشد سریع، پایداری ژنتیکی، امکان کشت طولانیمدت و تولید یکنواخت محصول باعث شده است که ریشههای مویین به یکی از مهمترین سیستمهای تولید متابولیتهای گیاهی تبدیل شوند. در برخی گونهها حتی میزان تولید ترکیبات دارویی در ریشههای مویین از گیاه مادری نیز بیشتر گزارش شده است، هرچند این موضوع به گونه گیاهی، نوع ترکیب و شرایط کشت بستگی دارد.
اگرچه ریشههای مویین توانایی ذاتی مناسبی برای تولید متابولیتها دارند، اما در بسیاری از موارد برای رسیدن به بازده اقتصادی، از روشهای مختلفی جهت افزایش تولید استفاده میشود.
یکی از مهمترین این روشها الیسیتاسیون (Elicitation) است. الیسیتورها موادی هستند که شرایط تنش را برای سلول شبیهسازی کرده و مسیرهای دفاعی گیاه را فعال میکنند. این محرکها میتوانند زیستی باشند؛ مانند کیتوزان، عصاره قارچها یا برخی باکتریها، یا غیرزیستی مانند تابش UV، تغییر pH، تنش شوری، فلزات سنگین یا متیلجاسمونات و سالیسیلیک اسید. فعال شدن پاسخ دفاعی گیاه معمولاً موجب افزایش سنتز متابولیتهای ثانویه میشود.
روش دیگر، پیشمادهدهی (Precursor Feeding) است. در این روش، ترکیباتی که در مسیر بیوسنتز متابولیت نقش دارند به محیط کشت افزوده میشوند. برای مثال، افزودن فنیلآلانین میتواند تولید برخی ترکیبات فنولی و رزوراترول را افزایش دهد.
در بعضی سامانهها نیز از جاذبها (Adsorbents) مانند زغال فعال یا رزینهای تبادل یونی استفاده میشود. این مواد متابولیت ترشحشده را از محیط جذب میکنند و مانع تجمع آن در اطراف سلول میشوند؛ در نتیجه از مهار بازخوردی مسیر بیوسنتز جلوگیری شده و تولید ادامه پیدا میکند.
کاربردهای مهم ریشههای مویین
ریشههای مویین برای تولید طیف وسیعی از ترکیبات ارزشمند مورد استفاده قرار گرفتهاند. از مهمترین نمونهها میتوان به آلکالوئیدهای تروپانی مانند هیوسیامین و اسکوپولامین در گیاهان تاتوره (Datura) و بلادون (Atropa belladonna) اشاره کرد که در صنایع دارویی کاربرد گسترده دارند.
در گیاه Catharanthus roseus نیز ریشههای مویین برای مطالعه و افزایش تولید آلکالوئیدهای ایندولی مانند آجمالیسین و کاتارانتین استفاده شدهاند. البته باید توجه داشت که وینبلاستین و وینکریستین عمدتاً در اندام هوایی گیاه و از اتصال پیشسازهای مختلف تشکیل میشوند؛ بنابراین تولید مستقیم آنها در ریشههای مویین معمولاً محدود است و برای افزایش بازده به راهکارهای مهندسی متابولیک نیاز خواهد بود.
نمونه دیگر، آرتمیزینین در Artemisia annua است. اگرچه محل اصلی تجمع این ترکیب در کرکهای ترشحی اندامهای هوایی است، اما از ریشههای مویین بیشتر برای مطالعه مسیرهای بیوسنتزی و مهندسی ژنتیکی آن استفاده میشود. همچنین تولید رزوراترول در انگور و بادامزمینی و شیکونین در گیاه Lithospermum erythrorhizon از دیگر کاربردهای شناختهشده این سامانه است.
محدودیتها و چالشها
با وجود مزایای فراوان، استفاده از ریشههای مویین با محدودیتهایی نیز همراه است. یکی از مهمترین مشکلات، تفاوت عملکرد لاینهای مختلف است. هر ریشه مویین از یک رویداد مستقل انتقال T-DNA ایجاد میشود و محل ادغام این DNA در ژنوم گیاه متفاوت است؛ بنابراین میزان رشد و مقدار متابولیت تولیدشده در هر لاین میتواند اختلاف قابل توجهی داشته باشد. به همین دلیل معمولاً تعداد زیادی لاین ایجاد و سپس با روشهایی مانند HPLC یا LC-MS غربالگری میشوند تا بهترین لاین انتخاب شود.
در برخی گونهها نیز کشتهای طولانیمدت ممکن است باعث کاهش رشد یا تغییر ویژگیهای مورفولوژیک ریشهها شود، هرچند تبدیل کامل ریشههای مویین به کالوس پدیدهای عمومی نیست و بیشتر به شرایط کشت و گونه گیاهی بستگی دارد. همچنین سرعت افزایش زیستتوده ریشههای مویین معمولاً از کشتهای سوسپانسیون سلولی کمتر است، اما این کاهش سرعت اغلب با پایداری بیشتر تولید متابولیت جبران میشود.
جمعبندی
کشت ریشههای مویین یکی از موفقترین فناوریهای کشت بافت برای تولید متابولیتهای ثانویه محسوب میشود. این سامانه به دلیل رشد نسبتاً سریع، پایداری ژنتیکی، عدم نیاز به تنظیمکنندههای رشد و حفظ ویژگیهای تخصصی بافت ریشه، امکان تولید پایدار بسیاری از ترکیبات دارویی و صنعتی را فراهم میکند.
استفاده از روشهایی مانند الیسیتاسیون، پیشمادهدهی، انتخاب لاینهای برتر و مهندسی ژنتیک نیز میتواند بازده تولید را به طور قابل توجهی افزایش دهد. به همین علت، ریشههای مویین امروزه علاوه بر تحقیقات پایه، در توسعه فرایندهای زیستفناورانه و تولید صنعتی برخی متابولیتهای ارزشمند جایگاه ویژهای پیدا کردهاند.
همچنین بخوانید:
