Công nghệ sinh khối tế bào thực vật ựơn giản là nuôi vô tắnh các dòng tế bào ựể tạo khối lượng lớn sản phẩm có thể sử dụng cho việc tách chiết các hoạt chất. Quá trình này cũng bắt ựầu từ việc tạo ra mô sẹo từ những tế bào, mô khác
Học viện Nông nghiệp Việt Nam Ờ Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 24
nhau của thực vật, sau ựó chúng ựược làm giảm hoặc mất tắnh biệt hóa và ựược thuần hóa trên môi trường nuôi cấy và cuối cùng là tăng khối lượng trên hệ thống các bình nuôi cấy lớn (bioreactor) (Chawla, 2003).
Nghiên cứu ựầu tiên về nuôi cấy sinh khối tế bào thực vật ựược thực hiện vào năm 1920, khi các nhà khoa học thành công nhân giống vô tắnh cây lan. Từ năm 1990 ựến nay nhiều sản phẩm nghiên cứu thành công ựã ựược áp dụng rộng rãi trong sản xuất các thực phẩm, dược phẩm, như sản xuất paclitaxeln, taxol dùng làm thuốc ựiều trị ung thư, sản xuất chất kháng khuẩn shikonin và rất nhiều nghiên cứu khác ựang ựược nghiên cứu sản xuất quy mô công nghiệp. Nuôi cấy sinh khối tế bào thực vật ựể thu những hoạt chất sinh học ựược làm dược liệu ựáp ứng nhu cầu về dược phẩm.
Cho ựến nay rất nhiều các hoạt chất nguồn gốc từ thực vật có giá trị kinh tế cao là sản phẩm của sinh khối tế bào thực vật: sản xuất chất diệt khuẩn shikonin, có trong rễ của cây Lithospermum erythrorhizon. Shikonin tắch lũy không nhiều trong rễ. Tuy nhiên, các nhà khoa học Nhật ựã tạo ựược dòng tế bào rễ cây
Lithospermum có khả năng tắch lũy ựến 15% shikonin và ựã hoàn chỉnh công nghệ nuôi cấy tế bào sản xuất shikonin. Công nghệ này cho phép trong một chu kỳ nuôi cấy thu hoạch tới 5 kg hoạt chất và giúp giảm rất nhiều giá thành của shikonin. Ứng dụng hệ thống bioreactor 10000 lắt trong sản xuất reserpine (alkaloid chiết xuất từ cây Rauwolfia serpentina có tác dụng chữa bệnh cao huyết áp và các bệnh rối loạn tuần hoàn máu) có thể sản xuất ựược 3500 kg resperine trong thời gian 30 ngày, tương ựương với tổng lượng thu ựược hàng năm từ rễ cây ựó. Hàm lượng chất thứ cấp cao nhất ựược tìm thấy trong nuôi cấy tế bào của cây Coleus blumei ựó là chất rosmarinic acid chiếm 13-15% trọng lượng khô trong chu kỳ nuôi 13 ngày, lớn gấp 5 lần so với hàm lượng trong cây trồng ở ựiều kiện tự nhiên (Nguyễn Hoàng Lộc, 2006). Betalain từ mô sẹo củ cải ựường, berberin từ cây Coptis japonica, loài cây này phải trồng từ 4 - 6 năm mới thu ựược hàm lượng berberin ựáng kể trong rễ, trong khi hàm lượng này có thể thu ựược sau 4 tuần nuôi cấy (Muller and Zenk, 1992), các hoạt chất dùng trong dược phẩm như caffein thu ựược từ nuôi cấy tế bào Coffea arabica (Kurata et
Học viện Nông nghiệp Việt Nam Ờ Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 25
al., 1998); các chất dùng trong thực phẩm bao gồm các chất tạo mầu (anthocyanin, crocin), các chất tạo mùi (vani, mùi hành, mùi tỏi).
Nhiều nghiên cứu cho thấy sản phẩn ựược sản xuất theo phương pháp sinh khối cho chất lượng cũng như số lượng cao hơn cây hoàn chỉnh. Một số chất thường ựược sản xuất theo phương pháp này như alkaloid, tinh dầu và hợp chất glycosid. Các loại vật liệu ựược nuôi cấy có thể là: tế bào ựơn, mô sẹo, protoplast hoặc nuôi cấy rễ.
So với nuôi trồng tự nhiên, công nghệ sinh khối tế bào thực vật có nhiều ưu ựiểm như không chịu tác ựộng của các yếu tố tự nhiên nên có thể chủ ựộng nguồn nguyên liệu phục vụ sản xuất, thời gian sản xuất nguyên liệu theo công nghệ sinh khối tế bào rút ngắn hơn nhiều so với gieo trồng tự nhiên, chất lượng sản phẩm ổn ựịnh do các ựiều kiện nuôi cấy ựược kiểm soát chặt chẽ và có thể ựiều khiển quá trình sinh tổng hợp ựể tăng tắch lũy các hoạt chất chắnh.
Trên cây nhân sâm ựã có rất nhiều các nghiên cứu về tạo sinh khối sâm từ tế bào huyền phù, mô sẹo, nuôi cấy rễ hay rễ tơ ựể thu các hoạt chất quý. Hiện nay, một số nước tiêu thụ và xuất khẩu sâm lớn như Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc ựã ứng dụng nuôi cấy sinh khối tế bào từ nhân sâm trong sản xuất các sản phẩm chức năng hiện nay làm thuốc bổ, thuốc phòng chống bệnh tim mạch, chống gốc tự do, tăng cường chức năng hệ thần kinh trung ương, các loại mỹ phẩm (Jeong et al., 2002).
Tại Hàn Quốc và một số nước khác, nhân sâm (Panax ginseng) ựã ựược nuôi cấy tạo rễ bất ựịnh thành công và ựược ứng dụng sản xuất ở quy mô công nghiệp, tạo ựược sinh khối rất lớn ựáp ứng nhu cầu của xã hội, rút ngắn thời gian sản xuất ựáng kể, cho hiệu quả kinh tế vô cùng to lớn. Một số công ty ựang sản xuất rễ tơ nhân sâm với bioreactor có dung tắch 10000 ựến 20000 lắt. Sản phẩm này ựược làm nguyên liệu cho các dạng thực phẩm chức năng và thực phẩm khác nhau trên thị trường (Murthy et al., 2008).
Sâm Ngọc Linh là cây dược liệu quý, ựặc hữu cho vùng sinh thái nhất ựịnh. Thời gian sinh trưởng của cây sâm Ngọc Linh dài, cần tới 6 năm mới có thể bắt ựầu thu hoạch và 7 - 10 năm mới thu ựược củ sâm chất lượng tốt. Trong khi ựó,
Học viện Nông nghiệp Việt Nam Ờ Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 26
việc khai thác bừa bãi và không có phương pháp quản lý hiệu quả ựã dẫn ựến không ựủ ựáp ứng nhu cầu cung cấp nguyên liệu cho sản xuất.
Nhóm nghiên cứu của Học viện Quân y trong nghiên cứu tạo sinh khối tế bào sâm Ngọc Linh ựã hoàn thiện quy trình tạo khối tế bào sâm Ngọc Linh từ giai ựoạn nuôi cấy tạo mô sẹo ựến nuôi cấy trong bioreactor 15 lắt. Sau khi nghiên cứu thành công quy trình nuôi cấy tế bào trong phòng thắ nghiệm, các nhà khoa học ở Học viện Quân y tiếp tục triển khai hệ thống các phòng sinh khối tế bào thực vật với trang thiết bị hiện ựại, nâng công suất sinh khối từ 5 lắt/mẻ lên thành 100 lắt/mẻ (tương ựương 35 kg sinh khối sâm tươi) (Oanh Vũ, 2009).
Nguyễn Thành Sum và cộng sự thuộc Viện Công nghệ Sinh học và Thực phẩm TP.HCM cũng ựã thành công trong nghiên cứu tạo rễ bất ựịnh từ mô sẹo và nhân sinh khối rễ ựể thu hoạch. Kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian thu hoạch ựược rễ sâm Ngọc Linh như trên chỉ mất khoảng 4 tháng mà vẫn ựảm bảo ựược hàm lượng saponin thiết yếu của sâm (Nguyễn Văn Long, 2011).
Trong thắ nghiệm ảnh hưởng của môi trường nuôi cấy ựến sự tăng sinh khối và sản phẩm trao ựổi chất thứ cấp ginsenoside trong nuôi cấy lỏng tế bào sâm Ngọc Linh cho thấy khi tăng lượng ựường 0 - 50g/lắt thì sinh khối tăng từ 5,4 - 10,3 g/lắt. Nồng ựộ ựạm 30mM là tối ưu cho sự sinh trưởng tế bào và sự tắch lũy sản phẩm trao ựổi chất thứ cấp ginsenoside (Nguyen Trung Thanh et al., 2007).
Theo nghiên cứu của Tống Thị Ngọc lệ và cs (2010) về tác dụng của viên nang mềm sâm Ngọc Linh ựược bào chế từ sinh khối tế bào sâm Ngọc Linh trên chuột cho thấy viên nang mềm sâm Ngọc Linh có ựộ an toàn cao, không gây ựộc và có tác dụng tăng lực trên chuột.
Trong quá trình nuôi cấy tạo sinh khối tế bào thực vật nhằm giảm hoặc mất tắnh biệt hóa ở các mô tế bào nuôi cấy có bổ sung các chất ựiều hòa sinh trưởng vào trong môi trường nuôi cấy, tồn dư của các chất ựiều hòa sinh trưởng trong sinh khối tế bào nuôi cấy ảnh hưởng ựến sản phẩm và sức khỏe người sử dụng. Có thể khắc phục trong nuôi cấy sinh khối từ rễ tơ do rễ tơ có thể sinh trưởng, phát triển tốt trên môi trường không cần bổ sung các chất ựiều hòa sinh trưởng,
Học viện Nông nghiệp Việt Nam Ờ Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 27
rễ tơ có khả năng sinh trưởng nhanh, phân nhánh cao, kỹ thuật nuôi cấy, chuyển gen dễ dàng và có thể ựược nuôi cấy tạo sinh khối liên tục, ựiều này có ý nghĩa trong dây chuyền sản xuất các chất thứ cấp hay các dược phẩm sinh học (Pham, 2009). Rễ tơ có thể sản xuất một lượng lớn các hợp chất thứ cấp và là cơ quan biệt hóa nên rễ tơ có sự di truyền ổn ựịnh hơn nuôi cấy tế bào huyền phù và mô sẹo (Woo et al., 2004).