Sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ sinh học trong nuôi cấy mô và tế bào thực vật giúp nhân giống các cây trồng có giá trị và tách chiết các hóa chất quý hiếm mang lại nhiều ý nghĩa về mặt thương mạị Phương pháp này sẽ mở rộng và tăng khả năng thu hồi các hóa chất giá trị có nguồn gốc thực vật, một sự thay thế từ quy mô nông nghiệp truyền thống lên quy mô công nghiệp trong sản xuất các hợp chất thứ cấp (Dicosmo và Misawa 1995). Kỹ thuật nuôi cấy tế bào ựược khởi xướng từ cuối những năm 60 của thế kỷ 20 như là một công cụ hữu ắch ựể nghiên cứu và sản xuất hợp chất thứ cấp thực vật. Kỹ thuật này ựược phát triển với mục tiêu cải thiện hiệu suất các sản phẩm có hoạt tắnh sinh học. Ưu ựiểm của chúng là có thể cung cấp sản phẩm một cách liên tục và ựáng tin cậy dựa trên những lý do sau:
(1) tổng hợp các hợp chất thứ cấp có giá trị diễn ra dưới sự ựiều khiển các yếu tố môi trường nuôi cấy, ựộc lập với khắ hậu và ựiều kiện ựất trồng.
(2) phủ ựịnh ảnh hưởng sinh học ựến các sản phẩm là hợp chất thứ cấp trong tự nhiên (vi sinh vật và côn trùng).
(3) có thể chọn lọc các giống cây trồng cho nhiều loại hợp chất thứ cấp khác nhaụ (4) với việc tự ựộng hóa ựiều khiển sự sinh trưởng của tế bào và ựiều hòa quá trình chuyển hóa, chi phắ có thể giảm và lượng sản phẩm tăng lên. Bên cạnh ựó, những
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ẦẦẦẦẦẦẦẦ 26
kết quả nghiên cứu gần ựây cho thấy nuôi cấy tế bào huyền phù của thực vật cũng ựược sử dụng ựể sản xuất các sản phẩm protein tái tổ hợp (Fisher và cs 1999).
Trong nuôi cấy tế bào, việc chọn lựa cẩn thận các tế bào có khả năng phát triển và ựiều kiện nuôi cấy tối ưu sẽ giúp tăng khả năng tắch lũy một vài sản phẩm ở mức cao hơn. để thu ựược hiệu suất cao cho khai thác thương mại, người ta ựã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau trong nỗ lực tập trung vào việc kắch thắch hoạt ựộng sinh tổng hợp của các tế bào nuôi cấy (Rao 2000, Dixon 1999). Tế bào nuôi cấy tắch lũy một lượng lớn hợp chất thứ cấp chỉ khi ở những ựiều kiện ựặc biệt như (1) chọn lựa thành phần môi trường và ựiều kiện nuôi cấy thắch hợp, (2) chọn lựa các dòng tế bào năng suất cao, (3) bổ sung tiền chất nuôi cấy và (4) các chất kắch kháng bảo vệ thực vật (Mulbagal and Tsay 2004).
Tối ưu hóa ựiều kiện nuôi cấỵ Các thông số hóa học và vật lý như thành phần và pH môi trường, chất ựiều hòa sinh trưởng, nhiệt ựộ nuôi cấy, sự thông khắ, sự lắc hoặc khuấy, và ánh sáng ảnh hưởng ựến hàm lượng các hợp chất thứ cấp ựã ựược nghiên cứu nhiều (Goleniowski và Trippi 1999, Lee và Shuler 2000, Wang và cs 1999). Một vài sản phẩm tắch lũy trong tế bào ở mức cao hơn so với ở trong cây trồng tự nhiên khi ựược nuôi cấy ở ựiều kiện tối ưụ Các thông số vật lý và yếu tố dinh dưỡng trong một mẻ có thể gần như là yếu tố cơ bản cho việc tối ưu hóa hiệu suất nuôi cấỵ
Chọn lọc các dòng tế bào cho năng suất caọ Các tế bào thực vật trong nuôi cấy là một tập hợp các ựặc ựiểm sinh lý ựộc lập. Chọn lọc tế bào dựa vào khả năng tổng hợp một vài hợp chất có giá trị cao trong nuôi cấy ựã ựược Berlin và Sasse công bố năm 1985, và sau ựó phương thức này ựã ựược ứng dụng rộng rãị Chẳng hạn, một dòng tế bào của cây bát tiên (Euphorbia milli) sau 24 lần chọn lọc ựã tắch lũy gấp khoảng 7 lần lượng anthocyanin ựược sản xuất từ nuôi cấy tế bào bố mẹ (Yamamoto và cs 1982). Yamada và Sato (1981) ựã chọn lọc ựược một dòng tế bào của Coptis japonica có khả năng sinh trưởng gấp 6 lần trước ựây sau 3 tuần nuôi cấy và lượng berberin ựạt tới 1,2 g/L.
Cung cấp tiền chất (precursor feeding). Bổ sung các tiền chất của quá trình sinh tổng hợp nội bào vào môi trường nuôi cấy cũng có thể tăng lượng sản
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ẦẦẦẦẦẦẦẦ 27
phẩm mong muốn do một số hợp chất trung gian nhanh chóng bắt ựầu sinh tổng hợp các hợp chất thứ cấp và vì thế làm tăng lượng sản phẩm cuối cùng. Phương pháp này hữu ắch khi dùng các tiền chất có giá thành rẻ.
Tăng cường kắch thắch hoặc bổ sung tiền chất hoặc các hợp chất tương tự mang lại hiệu quả trong nhiều trường hợp (Silvestrini và cs 2002; Moreno và cs 1993). Chẳng hạn, bổ sung phenylalanine khi nuôi cấy tế bào huyền phù cây Salvia officinalis ựã kắch thắch tạo ra rosmarinic acid, cung cấp ferulic acid trong nuôi cấy tế bào cây Vanilla planifolia ựã tăng tắch lũy valnillin, hoặc bổ sung leucine dẫn ựến việc tăng các monoterpen dễ bay hơi trong nuôi cấy Perilla frutiscens (Mulbagal and Tsay 2004).
Sự kắch kháng bảo vệ thực vật (elicitation). Thực vật sản xuất các hợp chất thứ cấp trong tự nhiên như một bộ máy bảo vệ chống lại các yếu tố gây bệnh. Chất kắch kháng bảo vệ thực vật (elicitor) báo hiệu việc hình thành các hợp chất thứ cấp. Sử dụng các elicitor của bộ máy bảo vệ cây, tức sự kắch kháng bảo vệ thực vật, là phương thức ựể thu ựược các sản phẩm hợp chất thứ cấp có hoạt tắnh sinh học một cách hiệu quả nhất. Sử dụng các elicitor sinh học và phi sinh học (ựược phân loại dựa trên nguồn gốc của chúng) ựể kắch thắch hình thành các hợp chất thứ cấp trong quá trình nuôi cấy tế bào, có thể giúp rút ngắn thời gian và ựạt hiệu suất cao (DiCosmo và Tallevi, 1985).