CHƢƠNG IV. CÔNG NGHỆ NUÔI CẤY TẾ BÀO ĐƠN – THU NHẬN SẢN PHẨM THỨ CẤP pps

Công nghệ sinh học thực vật Chương 4. Công nghệ nuôi cấy tế bào đơn


35
CHƢƠNG IV. CƠNG NGHỆ NI CẤY TẾ BÀO ĐƠN
– THU NHẬN SẢN PHẨM THỨ CẤP

Đã từ lâu, các nhà khoa học đã cho rằng tế bào thực vật là một đơn vị độc
lập trong cơ thể thực vật. Đã là đơn vị độc lập thì chúng hồn tồn có khả năng tự
trao đổi chất, sinh sản và phát triển. Ni cấy mơ thực vật có giá trị đối với nghiên
cứu sinh tổng hợp các chất chuyển hóa thứ cấp và cũng có thể cung cấp các
phương thức sản xuất các sản phẩm chuyển hóa quan trọng của thực vật.
1. Khái niệm tế bào đơn và sản phẩm thứ cấp
Năm 1838, Schleiden – giáo sư thực vật học ở Jena – đã cho rằng: “Tế bào
là đơn vị sống căn bản của mọi cấu trúc thực vật”. Theo ơng, q trình căn bản
trong sự phát triển thực vật là sự thành lập các tế bào sống độc lập trong một kiểu
cấu trúc nào đó của cá thể thực vật ngun vẹn.
Mãi đến năm 1954, Muir và các cộng sự mới bắt đầu những nghiên cứu về
sự phát triển của tế bào đơn thực vật trong mơi trường nhân tạo. Tuy nhiên, những
nghiên cứu của họ chưa hồn chỉnh và các nghiên cứu này chỉ mang tính chất
thăm dò. Đến năm 1960, Melcher và Bergman là những tác giả đầu tiên tách và
ni cấy thành cơng tế bào đơn của thực vật trong các bình lên men với mơi
trường nhân tạo.
Từ những năm đầu thập niên 70 của thế kỉ XX đến nay, các nhà khoa học
đã cơng bố hàng loạt các cơng trình nghiên cứu về ni cấy tế bào đơn của các lồi
thực vật khác nhau để thu nhận những sản phẩm thứ cấp. Trong đó, đáng lưu ý
nhất là những kết quả của Street. Ơng đã hồn chỉnh tồn bộ cơng nghệ ni cấy
từ giai đoạn đầu đến giai đoạn tinh sạch các sản phẩm bậc 2.
Sản phẩm trao đổi chất thứ cấp là những sản phẩm được tạo ra trong tế bào
nhờ các q trình trao đổi chất xảy ra trong tế bào, sau đó chúng thốt ra khỏi tế
bào đi ra mơi trường ngồi.

Phần lớn các chất thứ cấp thường khơng có nhiều ý nghĩa sinh lý đối với
bản thân các tế bào. Q trình tạo ra những sản phẩm bậc 2 chỉ thơng qua những
cơ chế chuyển hóa rất tự nhiên của tế bào, cũng có thể do sự sai lệch về thơng tin
di truyền trong tế bào dẫn đến hiện tượng sinh tổng hợp thừa.
Tế bào thực vật có thể được ni cấy trong các hệ thống thích hợp để sản
xuất ra những hợp chất thứ cấp với sản lượng cao hơn cây ngun vẹn (Bảng 4.1).


Công nghệ sinh học thực vật Chương 4. Công nghệ nuôi cấy tế bào đơn


36
Bảng 4.1. Các sản phẩm thứ cấp được tạo ra trong q trình ni cấy tế bào
Hợp chất
Nguồn thực vật
Dạng ni cấy
Shikonin
Lithospermum erythrorhizon
S
Ginsenoside
Panax ginseng
C
Anthraquinone
Morinda citrifolia
S
Ajmalicine
Catharanthus roseus
S
Acid rosmarinic
Coleus blumeii

S
Ubiquinone-10
Nicotiana tabacum
S
Diosgenin
Dioscorea deltoides
S
Benzylisoquinoline alkaloid
Coptis japonica
S
Berberine
Thalictrum minor
S
Nicotin
Nicotiana tabacum
C
Bisoclaurine
Stephania cepharantha
S
Tripdiolide
Tripteryqium wilfordii
S
Ghi chú: C – Callus (mơ sẹo); S – Cell suspension (huyền phù tế bào)

Điểm khác biệt giữa ni cấy tế bào đơn thực vật và ni cấy tế bào vi sinh
vật:
- Ni cấy tế bào đơn thực vật đòi hỏi mức độ vơ trùng cao hơn rất nhiều so
với mức độ vơ trùng trong ni cấy vi sinh vật.
- Trong q trình phát triển ở mơi trường ni cấy nhân tạo, các tế bào vi
sinh vật thường tồn tại độc lập trong khi tế bào đơn của thực vật tạo ra

những huyền phù tế bào.
- Tế bào thực vật thường phân chia chậm hơn tế bào vi sinh vật. Vì thế, trong
một thời gian nhất định, lượng sinh khối thu được từ tế bào vi khuẩn cao
hơn nhiều so với tế bào thực vật.
- Các chất tạo ra trong q trình trao đổi chất của vi sinh vật và của tế bào
đơn thực vật hồn tồn khác nhau.
- Tế bào thực vật thuộc loại quang tự dưỡng trong khi phần lớn tế bào vi sinh
vật lại thuộc loại dị dưỡng.
2. Ni cấy tế bào đơn
2.1. Đặc điểm sinh lý của tế bào đơn trong ni cấy
Tế bào đơn khi phát triển trong mơi trường lỏng theo phương pháp ni cấy
gián đoạn thường tạo ra dòng tế bào. Dòng tế bào là một huyền phù gồm rất nhiều
tế bào tạo thành. Dòng tế bào có những điểm quan trọng sau:
- Dòng tế bào cho phép tách riêng từng tế bào rất dễ dàng.
Công nghệ sinh học thực vật Chương 4. Công nghệ nuôi cấy tế bào đơn


37
- Các tế bào trong dòng tế bào có độ đồng nhất cao.
- Tế bào đơn được ni cấy trong mơi trường lỏng thường có nhân to hơn,
ngun sinh chất đậm đặc hơn so với tế bào ngun thủy trong mơ thực vật.
- Tế bào đơn được ni cấy trong mơi trường lỏng thường chứa nhiều hạt
tinh bột (năng lượng dự trữ của thực vật).
- Tế bào có khả năng phân chia trong khoảng 24 – 72 giờ.
- Tế bào bị mất tính tồn năng.
- Tế bào bị tăng mức bội thể.
Trong q trình phát triển trong mơi trường lỏng, các tế bào đơn của thực
vật thường phát triển qua bốn giai đoạn: thích nghi, tăng trưởng, cân bằng và suy
tàn.
Trong q trình ni cấy tế bào thực vật trong mơi trường lỏng theo

phương pháp chu kỳ, tế bào thực vật thường tạo ra một quần thể dị biệt. Phổ biến
dị của tế bào thực vật lớn và rất dễ nhận thấy trong khi ni cấy. Do đó, việc kiểm
sốt q trình ni cấy phải được thực hiện nghiêm ngặt.
Trong phương pháp ni cấy từng mẻ sẽ xảy ra hệ thống phân chia đồng
bộ, hệ thống này tạo ra những thế hệ tế bào có cùng tuổi sinh lý, phát triển, có
cùng thời điểm trao đổi chất mạnh hoặc trao đổi chất yếu. Do đó trong q trình
ni cần chú ý thay đổi chất dinh dưỡng, chất điều hòa sinh trưởng và thay đổi
điều kiện chiếu sang cho phù hợp với từng thời kỳ phát triển.
Ngun liệu để ni cấy tế bào đơn trong mơi trường lỏng là những tế bào
mơ sẹo hoặc những tế bào lai hữu tính. Trong q trình ni cấy có thể xảy ra
những thay đổi về mặt di truyền do tác động của các yếu tố bên ngồi. Chính vì
thế, việc kiểm sốt thường xun phải được thực hiện để loại những tính trạng xấu
làm thối hóa tế bào và giữ lại những tính trạng tốt để duy trì và làm tăng giá trị
của tế bào.
2.2. Những yếu tố ảnh hưởng đến q trình ni cấy tế bào đơn trong mơi
trường lỏng
2.2.1. Ảnh hưởng của chất điều hòa sinh trưởng thực vật
Các chất điều hòa sinh trưởng thực vật có ảnh hưởng rất lớn đến sinh lý tế
bào trong q trình ni cấy
- Phần lớn các chất điều hòa sinh trưởng thực vật làm tăng q trình phân
bào.
- Các chất điều hòa sinh trưởng thực vật đặc biệt làm tăng q trình biệt hóa
tế bào để tạo ra những cơ quan riêng biệt của cây như rễ, than, lá,…
Công nghệ sinh học thực vật Chương 4. Công nghệ nuôi cấy tế bào đơn


38
- Các chất điều hòa sinh trưởng thực vật có ảnh hưởng đến việc tạo ra những
sản phẩm thứ cấp.
2.2.2. Ảnh hưởng của các nguồn dinh dưỡng

- Nguồn đạm: nguồn đạm từ các muối nitrate thường được tế bào dễ hấp thu
hơn cả. Đơi khi người ta sử dụng nguồn đạm từ hỗn hợp nitrate và
ammonium. Cũng có nhiều trường hợp người ta sử dụng nguồn đạm hữu
cơ. Nhưng về căn bản, các nguồn đạm từ muối vơ cơ hòa tan thường thích
hợp nhất cho ni cấy tế bào đơn.
- Nguồn carbon: người ta thường sử dụng saccharose như nguồn carbon
trong ni cấy tế bào đơn thực vật. Điều này cũng còn tùy thuộc vào từng
loại cây mà ta thu nhận tế bào. Đối với nhiều loại thực vật, tế bào lại cần
mannose, galactose hay glucose hơn.
- Ánh sáng: tế bào thực vật là loại tế bào tự dưỡng. Trong q trình phát
triển, chúng cần ánh sáng cho q trình quang hợp. Chu kỳ tối, sang có ảnh
hưởng rất lớn đến thành phần và số lượng các sản phẩm trao đổi chất bậc 2.
Do đó, trong q trình ni cấy, việc điều khiển cường độ ánh sang, thời
gian chiếu sáng là điều đặc biệt quan trọng.
- Các chất vi lượng và các chất khác: tùy theo lồi thực vật mà nhu cầu về
các ngun tố vi lượng, vitamin và các chất khác sẽ khác nhau. Do đó, khi
ni cấy phải chú ý đến nhu cầu sinh lý của chúng để tạo ra mơi trường
ni cấy thích hợp.
3. Cơng nghệ ni cấy tế bào đơn thu nhận sản phẩm thứ cấp
Tế bào thực vật cũng tn theo quy luật trao đổi chất giống như tất cả các tế
bào sinh vật khác. Quy luật tạo ra sản phẩm tiết kiệm nhất và hợp lý nhất ở các tế
bào, đặc biệt là ở tế bào thực vật. Vì thế, việc thu nhận sinh khối tế bào thực vật
khi tiến hành ni cấy trong mơi trường lỏng khơng có khó khăn gì. Nhưng mục
tiêu ở đây là các sản phẩm bậc 2 do đó vấn đề sẽ rất phức tạp. Trong q trình
nghiên cứu, lúc đầu các nhà khoa học đưa ra 2 kết luận:
- Ni cấy tế bào đơn khơng thích hợp cho việc thu nhận sản phẩm bậc 2.
- Trong ni cấy tế bào đơn có xảy ra những q trình chuyển hóa vật chất
để tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau. Tuy nhiên, những q trình chuyển
hóa này thường cho năng suất thấp.
Đây là hai khó khăn thường gặp nhất khi ni cấy tế bào đơn thực vật để

thu nhận các sản phẩm bậc 2. Để giải quyết 2 khó khăn trên, các nhà khoa học đã
đưa ra những hướng giải quyết sau:
Công nghệ sinh học thực vật Chương 4. Công nghệ nuôi cấy tế bào đơn


39
- Khơng nên ni cấy tế bào đơn một cách đại trà mà khơng tính tốn đến
khả năng tạo ra những sản phẩm đặc biệt của lồi thực vật đó. Vấn đề đầu
tiên là phải chọn ra được một lồi thực vật nào đó có khả năng sinh tổng
hợp ra những chất mà ta quan tâm. Đặc tính tổng hợp chất chun biệt này
do một gene trong cấu trúc DNA quyết định và chúng có đặc tính lồi rất
cao. Việc chọn sai đối tượng sẽ đồng nghĩa với sự thất bại trong ni cấy về
sau.
- Thực vật là cơ thể đa bào, do đó khơng phải tất cả các cơ quan đều có khả
năng tạo ra chất mà ta quan tâm. Ở đó, chỉ có những cơ quan đặc biệt mới
tạo ra những chất đặc biệt. Do đó, việc xác định cơ quan nào có khả năng
sinh tổng hợp chất mà ta quan tâm để tiến hành ni cấy là điều rất quan
trọng.
- Trong q trình ni cấy, ln ln phải tiến hành tuyển chọn, lai tạo và
chuyển gene để nâng cao năng suất tạo ra các sản phẩm bậc 2 mà ta quan
tâm.
- Cũng như q trình sinh tổng hợp enzyme cảm ứng ở vi sinh vật, q trình
tổng hợp hay chuyển hóa ở tế bào thực vật cũng rất cần đến những cơ chất
tương ứng. Do đó, việc cung cấp những cơ chất tương ứng cho q trình
ni cấy là điều bắt buộc.
- Cuối cùng là phải tìm cho được mơi trường đặc hiệu riêng cho từng loại tế
bào.
3.1. Kỹ thuật ni cấy
Mẫu tế bào dùng để ni cấy phải được lấy từ cây đã biết chắc chắn có khả
năng sinh tổng hợp chất cần quan tâm; mẫu tế bào phải được lấy từ cơ quan hay bộ

phận mà ở đó hàm lượng các chất u cầu có khả năng được tổng hợp hay chuyển
hóa cao nhất; mẫu tế bào phải sạch bệnh và đang trong giai đoạn phát triển mạnh
nhất.
Khi chọn được mẫu thực vật để tiến hành ni cấy, người ta tiến hành các
q trình xử lý như trong vi nhân giống.
Khi mẫu cấy tạo thành mơ sẹo, người ta cấy mơ sẹo này vào mơi trường
lỏng dùng để ni cấy tế bào đơn. Mơi trường có thành phần khống MS, ngồi ra
còn có bổ sung thêm nước dừa, auxin, dịch chiết nấm men, saccharose,… tùy theo
lồi thực vật và loại mơ ni cấy.
Đầu tiên, mơ sẹo được ni cấy trong các bình tam giác và đặt trên máy lắc.
Cứ 2 – 3 ngày lấy mẫu ra kiểm tra bằng cách đếm dưới kính hiển vi sau đó xây
dựng đường cong tăng trưởng của tế bào.
Công nghệ sinh học thực vật Chương 4. Công nghệ nuôi cấy tế bào đơn


40
Sau 1 – 2 tuần ni cấy (tùy theo lồi thực vật), trong bình ni cấy sẽ tạo
huyền phù tế bào. Trong huyền phù tế bào có 2 loại tế bào là tế bào có khả năng
sinh phơi và tế bào khơng có khả năng sinh phơi.
Theo kinh nghiệm ni cấy của các nhà khoa học cho thấy sinh khối thu
được cao nhất ở ngày thứ 8. Ta chuyển tồn bộ sinh khối này sang q trình ni
cấy kế tiếp. Dung tích mỗi lần ni sau nhiều hơn lần ni trước khoảng 10 – 15
lần. Cứ như vậy, ta nhân giống cho đến khi đủ lượng giống cho sản xuất lớn. Tỉ lệ
tiếp giống trong sản xuất lớn khoảng 1 – 5 %.
Hiện nay người ta đã thiết kế những thiết bị ni cấy tế bào đơn với dung
tích hàng chục m
3
. Trong thiết kế và chế tạo các bình ni cấy tế bào đơn thực vật,
về cơ bản khơng khác những thiết bị lên men trong cơng nghệ vi sinh vật. Có hai
điểm khác cần lưu ý là các thiết bị ni cấy tế bào đơn khơng có hệ thống cung

cấp oxygen mà chỉ có cánh khuấy. Thứ hai, thiết bị ni cấy phải có hệ thống
chiếu sáng đảm bảo cho q trình tự dưỡng của tế bào xảy ra.
Trong khi tiến hành ni cấy, người ta có thể tiến hành ni cấy theo chu
kỳ (theo từng mẻ), cũng có thể ni cấy liên tục như trong kỹ thuật ni cấy và lên
men vi sinh vật.
Huyền phù tế bào sau khi kết thúc q trình ni cấy được đem đi ly tâm.
Sản phẩm bậc 2 ở trong dung dịch ly tâm. Áp dụng những phương pháp hóa, lý
tương ứng để tách các sản phẩm này ra khỏi dung dịch và đem tinh chế thì sẽ thu
được sản phẩm bậc 2.
Trong nhiều trường hợp khơng cần thiết phải qua giai đoạn tạo mơ sẹo để
ni cấy tế bào đơn mà trực tiếp sử dụng tế bào ngun thủy của mẫu cấy để ni
cấy tế bào đơn. Phương pháp này tiết kiệm được thời gian, cơng sức và chi phí rất
nhiều.
Trong một số trường hợp khác, người ta áp dụng phương pháp này để ni
cấy tế bào trần và thu được những kết quả rất khả quan.
Phương pháp ni cấy tế bào đơn đang được ứng dụng rộng rãi ở Nhật Bản,
Pháp, Canada, Mỹ và Hà Lan.
3.2. Phương pháp làm tăng sản lượng các hợp chất thứ cấp trong ni cấy tế
bào
Trong q trình ni cấy tế bào, người ta nhận thấy có một số sản phẩm
được tích lũy trong tế bào với một lượng cao hơn ở trong cây khi điều kiện ni
cấy hồn tồn thích hợp. Ví dụ như ginsenoside từ Panax ginseng, acid rosmarinic
từ Colleus blumei, shikonin từ Lithospermum erythrorhizon, diosgenin từ
Công nghệ sinh học thực vật Chương 4. Công nghệ nuôi cấy tế bào đơn


41
Dioscorea, ubiquinone-10 từ Nicotiana tabacum được tích lũy trong tế bào cao
hơn rất nhiều so với cây ngun vẹn.
Tuy nhiên, cũng có những sản phẩm tích lũy trong tế bào với một lượng rất

thấp hoặc đơi khi khơng thể nhận thấy trong những tế bào phản phân hóa như mơ
sẹo hay huyền phù tế bào. Để có thể thu được sản phẩm với một hàm lượng đủ cao
để có thể sản xuất cho mục đích thương mại, người ta đã cố gắng kích thích hoặc
khơi phục lại khả năng sinh tổng hợp của các tế bào ni cấy bằng cách sử dụng
nhiều phương pháp khác nhau. Sau đây là vài yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sản
xuất các hợp chất thứ cấp của tế bào thực vật:
3.2.1. Điều kiện mơi trường thích hợp
Vai trò của một số chất hóa học và các yếu tố vật lý đã được kiểm tra trên
nhiều loại tế bào khác nhau. Các yếu tố này bao gồm thành phần các chất trong
mơi trường ni cấy, chất điều hòa sinh trưởng thực vật, pH, nhiệt độ, độ thơng
khí, độ lay chuyển, ánh sáng,… Đó là những yếu tố cơ bản nhất trong ni cấy tế
bào. Mỗi loại tế bào sẽ chịu những mức độ ảnh hưởng khác nhau đối với các yếu
tố nêu trên.
Glucose và sucrose là nguồn carbon thích hợp cho các mơ thực vật ni
cấy. Trong một số trường hợp, nồng độ của nguồn carbon ảnh hưởng trên sự tăng
trưởng của tế bào và sản lượng các hợp chất thứ cấp được sản xuất ra.
Trong số những thành phần mơi trường khác, các chất điều hòa sinh trưởng
thực vật như auxin và kinetin có những ảnh hưởng đáng kể trên sự tăng trưởng của
tế bào và khả năng sản xuất các chất biến dưỡng của tế bào. Nói chung, khi tăng
hàm lượng auxin như 2,4-D trong mơi trường sẽ kích thích sự phản phân hóa của
tế bào và vì vậy sẽ làm giảm bớt sản lượng các chất biến dưỡng thứ cấp.Đó là lý
do tại sao auxin thường được bổ sung vào mơi trường để cảm ứng sự tạo mơ sẹo,
và nó sẽ được giữ lại với một hàm lượng rất thấp hoặc loại bỏ hẳn để tế bào sản
xuất các chất biến dưỡng.
Nhiệt độ trong khoảng 17 – 25C thường được áp dụng để cảm ứng sự tạo
mơ sẹo và sự tăng trưởng của tế bào ni cấy. Nhưng mỗi lồi thực vật sẽ thích
hợp với một nhiệt độ khác nhau. Độ pH mơi trường được chỉnh trong khoảng 5
đến 6 trước khi hấp khử trùng. Trong q trình ni cấy, có những trường hợp ánh
sáng có tác dụng thúc đẩy sự tổng hợp các hợp chất thứ cấp. Các bình ni cấy
cũng cần có hệ thống sục khí để tăng lượng oxygen cung cấp cho tế bào trong q

trình ni cấy.
Công nghệ sinh học thực vật Chương 4. Công nghệ nuôi cấy tế bào đơn


42
Mỗi lồi thực vật có những điều kiện tối thích cho sự tăng trưởng của tế
bào và sự sản xuất ra các hợp chất thứ cấp, vì vậy cần phải xác định rõ điều kiện
ni cấy thích hợp cho mỗi trường hợp.
3.2.2. Chọn lựa các chủng có khả năng sản xuất cao
Các đặc tính sinh lý của mỗi tế bào riêng lẻ khơng ln thống nhất với
nhau. Ví dụ, các cụm tế bào sản xuất sắc tố thường bao gồm những tế bào có khả
năng sản xuất và những tế bào khơng có khả năng sản xuất. Vào năm 1976, Zenk
và cộng sự đã thu được những dòng tế bào Catharanthus roseus có thể tích lũy
được một lượng lớn ajmalicine và serpentine. Sau đó, các nhà khoa học khác đã sử
dụng phương pháp chọn dòng tế bào với mục đích làm tăng khả năng sản xuất ra
các hợp chất cần thiết.
Việc chọn dòng tế bào là một kỹ thuật hữu hiệu để tăng lượng sản phẩm thứ
cấp và nên áp dụng phương pháp này rộng rãi. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ là tại sao
trong cùng một hệ thống ni cấy lại có cả những tế bào có khả năng sản xuất cao
và có cả những tế bào có khả năng sản xuất thấp. Điều này có thể là do thiếu một
hoặc vài loại enzyme chun biệt cần cho phản ứng quan trọng nhất để sản xuất
các hợp chất thứ cấp ở trong các tế bào khơng có khả năng sản xuất.
3.2.3. Biến đổi tiền chất và các biến đổi sinh học
Việc bổ sung vào mơi trường ni cấy các tiền chất thích hợp hoặc các hợp
chất có liên quan đơi khi kích thích sự sản xuất các hợp chất thứ cấp. Phương pháp
này rất thuận lợi nếu như giá thành của các chất này khơng q cao. Ví dụ, các
amino acid được bổ sung vào mơi trường ni cấy huyền phù tế bào để sản xuất
tropan alkaloid, indole alkaloid và ephedorin. Ngồi ra, amino acid cũng còn có
những tác động kích thích khác. Thật sự, amino acid là tiền chất của một số loại
alkaloid nhưng nhìn chung, các bước sinh tổng hợp alkaloid từ amino acid rất

phức tạp. Vì vậy, các nhà khoa học nghi ngờ rằng khơng biết có phải các amino
acid này có liên quan chặt chẽ với việc sản xuất các alkaloid hay khơng. Có lẽ
chúng khơng chỉ có ảnh hưởng trực tiếp đến sự sinh tổng hợp alkaloid như là tiền
chất mà chúng còn tham gia gián tiếp vào các con đường biến dưỡng khác trong tế
bào.
Thay vì bổ sung một hợp chất đặc biệt như một tiền chất vào mơi trường
ni cấy tế bào thực vật, người ta còn có thể sử dụng tế bào thực vật ni cấy để
biến đổi các cơ chất thích hợp thành sản phẩm mong muốn. Phương pháp này
được áp dụng rộng rãi trong cơng nghệ lên men nhờ vào vi sinh vật và các enzyme
của chúng. Các nhà khoa học tin rằng q trình biến đổi sinh học bao gồm sự bổ
Công nghệ sinh học thực vật Chương 4. Công nghệ nuôi cấy tế bào đơn


43
sung cơ chất vào mơi trường ni cấy là phương pháp hữu hiệu nhất trong ni
cấy mơ thực vật vì lý do kinh tế.
3.2.4. Xử lý với các chất cảm ứng
Khi vi sinh vật xâm nhiễm vào một thực vật ngun vẹn thường cảm ứng
sự tạo ra các hợp chất thứ cấp. Hiện nay, các hệ thống vi sinh vật được hiểu rõ
nhất là nhóm nấm gây bệnh đã kính thích sự tạo ra các phân tử điều hòa được xác
định như polymer glucan, glycoprotein và các acid hữu cơ có trọng lượng phân tử
thấp. Ảnh hưởng của các chất cảm ứng trên sự biến dưỡng các hợp chất thứ cấp
được nghiên cứu ở mức độ enzyme để xác định được cách tác động của chúng.
Mặc dù cơ chế các chất cảm ứng làm tăng sự sản xuất các hợp chất thứ cấp
còn chưa được rõ ràng, nhưng tác động kích thích của chúng rất đáng kể nếu như
một chất cảm ứng thích hợp được chọn lựa để kích thích sự tổng hợp các hợp chất
thứ cấp. Tuy nhiên, việc sử dụng các chất cảm ứng có nguồn gốc vi sinh vật có thể
khơng kinh tế bởi vì những chất cảm ứng có nguồn gốc từ vi sinh vật được tạo ra
trong q trình lên men trong các bình phản ứng khác với loại bình phản ứng sử
dụng để ni cấy tế bào thực vật. Giá thành của các chất tạo ra từ vi sinh vật

khơng phải lúc nào cũng thấp. Vì vậy, nên sử dụng những hợp chất có giá thành
thấp hơn cho mục đích này.
3.2.5. Phương pháp cố định tế bào
Các tế bào thực vật bất định được xem như là một nghiên cứu quan trọng
và là một sự phát triển trong lĩnh vực ni cấy tế bào thực vật bởi vì chúng có
những thuận lợi sau đây:
- Sức sống của chúng kéo dài trong pha ổn định và trong giai đoạn sản xuất,
có thể duy trì sinh khối qua một giai đoạn dài.
- Đơn giản hóa q trình xi dòng.
- Thúc đẩy (giả định) sự phản phân hóa, nối liền với sự gia tăng các hoạt
động biến dưỡng thứ cấp.
- Mật độ tế bào cao cho phép giảm kích thước của bình phản ứng, vì vậy làm
giảm giá thành và giảm khả năng bị nhiễm khuẩn.
- Giảm nhạy cảm với sự tổn thương tế bào.
- Trong vài trường hợp, có thể kích thích sự tiết ra các sản phẩm thứ cấp.
- Các bình phản ứng có dòng mơi trường di chuyển có thể được sử dụng để
làm tăng tốc độ trơi.
- Giảm độ nhớt của lưu chất đến mức tối thiểu vì trong huyền phù tế bào, độ
nhớt gây ra sự pha trộn và thu khí.
Công nghệ sinh học thực vật Chương 4. Công nghệ nuôi cấy tế bào đơn


44
Một hệ thống cố định có thể duy trì sự sống của tế bào qua một khoảng thời
gian dài và phóng thích phần lớn sản phẩm ra mơi trường ngoại bào ở dạng ổn
định, có thể giúp giảm giá thành sản phẩm. Tuy nhiên, trong một hệ thống cố định
cũng tồn tại một số vấn đề sau:
- Sự cố định thường bị hạn chế khi khả năng sản xuất ra sản phẩm khơng
kèm với sự tăng trưởng của tế bào.
- Sinh khối khởi đầu của hệ thống ni cấy phải được tăng trưởng trong

huyền phù tế bào.
- Sản phẩm bắt buộc phải được tiết ra mơi trường ngoại bào.
- Có những trường hợp sản phẩm sẽ bị thối biến sau khi được tiết ra khỏi tế
bào.
- Khi bổ sung gel vào mơi trường thì sẽ ngăn cản sự khuếch tán mạnh của tế
bào.
Chính vì những lý do này mà những hệ thống ni cấy tế bào cố định có
hiệu quả kinh tế chưa được phát triển trong lĩnh vực ni cấy tế bào thực vật. Tuy
nhiên, người ta cũng phát triển một vài phương pháp cố định tế bào khác nhau như
bẫy, hấp thu,… Nói chung, khi tế bào được cố định bằng cách dùng gel hoặc hấp
thu bề mặt thì sẽ làm tăng khả năng sản xuất và kéo dài sức sống của tế bào trong
hệ thống ni cấy.
3.2.6. Sự tiết sản phẩm từ tế bào ra ngồi mơi trường
Nhiều sản phẩm thứ cấp của thực vật được tích lũy trong tế bào ni cấy.
Tuy nhiên, có thể làm tăng khả năng sản xuất những chất này bằng cách kích thích
cho chúng được tiết ra ngồi mơi trường. Sự tích lũy các sản phẩm bên trong tế
bào đơi khi lại ngăn cản chính sự sinh tổng hợp ra chúng do các cơ chế điều hòa.
Để cho những hệ thống tế bào thực vật cố định có thể hoạt động, điều cần thiết là
phải làm cho một lượng lớn sản phẩm tiết ra ngồi mơi trường. Đối với tế bào C.
roseus, có 2 cách cố định là bẫy với gel trong các hạt polysaccharide và trong các
bản polyacrylamide đều có thể kích thích sự tiết alkaloid bởi những cơ chế khơng
xác định. Những lồi thực vật khác mặc dù được cố định bằng những phương pháp
tương tự những sản phẩm vẫn khơng tiết được ra ngồi mơi trường.
Để làm tăng sự tiết sản phẩm ra mơi trường, người ta cố gắng làm tăng tính
thấm của màng tế bào những kết quả đạt được vẫn rất hạn chế.
3.2.7. Gây đột biến tế bào
Các chủng vi sinh vật được gây đột biến gene thường được sử dụng trong
cơng nghệ len men. Các dạng đột biến điều hòa và đột biến khuyết dưỡng được sử
dụng rộng rãi để sản xuất ra rất nhiều loại sản phẩm như amino acid, nucleotide,
Công nghệ sinh học thực vật Chương 4. Công nghệ nuôi cấy tế bào đơn

45
kháng sinh,… Tuy nhiên, trong ni cấy tế bào thực vật, việc gây đột biến còn hạn
chế bởi vì tế bào có bộ nhiễm sắc thể nhị bội do đó cơ hội thu được đột biến đồng
thời trên cặp nhiễm sắc thể tương đồng có xác suất rất thấp (<10
-6
). Ở thực vật, về
mặt cơ bản thì thể đơn bội có thể tạo ra được bằng cách ni cấy túi phấn, và một
tế bào đơn bội vẫn có khả năng trở lại trạng thái nhị bội. Điều này khiến cho cơ
hội thu được những tế bào có khả năng sản xuất vượt trội bằng cách gây đột biến
trên các thể nhị bội rất thấp. Hơn nữa, con đường sinh tổng hợp các hợp chất thứ
cấp và cơ chế điều hòa sự sinh tổng hợp này ở thực vật bậc cao còn chưa được
hiểu rõ, vì vậy khó biết được rằng loại đột biến nào có thể làm tăng khả năng sản
xuất các chất nói trên.
Sự gia tăng hoạt động biến dưỡng bằng cách sử dụng các đột biến điều hòa
có thể thực hiện được về mặt lý thuyết và việc chọn lọc các kiểu tế bào đồng dạng
cho mục đích này là một yếu tố quan trọng để sản xuất ra các loại sản phẩm khác
nhau. Một vài nhóm các nhà nghiên cứu đã sử dụng những tác nhân gây đột biến
như N-methyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidine, ethylmethane sulfonate, N-ethyl-N-
nitrosourea hoặc tia X để tạo ra những chủng tế bào có năng suất cao.
3.2.8. Sự phát sinh hình thái và sự ni cấy lơng rễ
Ni cấy cơ quan:
Người ta mong muốn có thể sử dụng những tế bào chưa phát sinh hình thái
để sản xuất ra những chất biến dưỡng hữu dụng theo cách giống như vi sinh vật và
đã có những nghiên cứu sản xuất được những hợp chất thứ cấp từ tế bào thực vật
với sản lượng cao hơn cây ngun vẹn. Người ta cũng giả định rằng có một mối
quan hệ giữa sự phản phân hóa của tế bào với khả năng sản xuất ra các hợp chất
thứ cấp nhưng vẫn chưa rõ rằng sự sản xuất các hợp chất thứ cấp có phụ thuộc vào
sự phát triển của các cấu trúc chun biệt hay khơng hay những q trình này có

liên quan với nhau về đặc tính di truyền và đặc tính sinh lý?
Ni cấy lơng rễ:
Hiện nay, người ta đã nghiên cứu sử dụng Agrobacterium zhizogenes trong
việc sản xuất các hợp chất thứ cấp. Người ta chuyển plasmid Ri vào vết thương
trên mơ, từ mơ sẽ hình thành những rễ bất định rất nhỏ gọi là rễ tơ hay lơng rễ. Rễ
tơ có thể được ni cấy trong mơi trường khơng có chất điều hòa sinh trưởng thực
vật và có thể sản xuất các hợp chất thứ cấp với một sản lượng lớn hơn so với mơ
khơng được chuyển plasmid Ri. Rễ tơ thường được sử dụng trong các hệ thống
ni cấy vì những lý do sau: (1) ổn định, khả năng sản xuất cao; (2) tăng trưởng
nhanh, khơng phụ thuộc vào auxin; (3) phù hợp với các hệ thống lên men. Vì vậy,
đây là một kỹ thuật dễ dàng sử dụng với quy mơ cơng nghiệp.