Nghiên cứu về khả năng sinh tổng hợp của các tế bào nuôi cấy đã được tiến hành bởi các nhà khoa học thực vật và vi sinh vật ở nhiều quốc gia. Hầu hết các ứng dụng nuôi cấy tế bào thực vật trong công nghệ sinh học đều nhằm vào mục đích sản xuất các hợp chất thứ cấp và gần đây là sản xuất các chất điều trị ung thư quan trọng như taxol, vinblastine và vincristine [113]. Những thành tựu đạt được trong lĩnh vực nuôi cấy tế bào thực vật để sản xuất các hợp chất dùng để chữa bệnh đã tạo ra khả năng có thể sản xuất trên qui mô lớn các chất alkaloid, terpenoid, steroid, saponin, phenol, flavonoid và các amino acid [167].
Taxol là một trong những tác nhân kháng ung thư triển vọng nhất được biết đến bởi dạng hoạt động độc nhất của nó trên hệ thống vi tế bào hình ống [113]. Hiện nay, sản xuất taxol nhờ nuôi cấy tế bào của các loài Taxus đã trở thành một trong nhữngứng dụng rộng rãi trong nuôi cấy tế bào thực vật và đang làm chủ các giá trị thương mại to lớn của taxol, một chất chỉ có dạng vết trong cây thủy tùng và tổng hợp hóa học rất đắt tiền [65]. Christen và cs (1989) công bố đầu tiên về sản xuất taxol (paclitaxel) bởi nuôi cấy tế bào Taxus [34]. Fett-Neto và cs (1995)
22
đã nghiên cứu ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng và các yếu tố khác lên sản xuất trong nuôi cấy tế bào, kết quả sản xuất paclitaxel đạt 0,02% khối lượng khô [41]. Kim và cs (1995) cũng đã tạo ra paclitaxel trong nuôi cấy tế bào cây Taxus brevifolia sau 10 ngày trên môi trường tối ưu chứa 6% fructose [74]. Bên cạnh sự tích lũy paclitaxel, một số toxoid cũng đã được tìm thấy cả trong tế bào và môi trường nuôi cấy tế bào Taxus [71]. Parc và cs (2002) đã sản xuất toxoid bằng nuôi cấy callus của các cây Taxus được chọn lọc [121]. Để tăng sản xuất toxoid, bổ sung các amino acids vào môi trường nuôi cấy cũng đã được khảo sát, kết quả cho thấy, phenylalanine đã tăng sản xuất taxol tối đa trong nuôi cấy tế bào cây T. cuspidata [92].
Từ xưa, rễ của cây nhân sâm đã được sử dụng rộng rãi như một vị thuốc bổ, một dược phẩm quí giá [148]. Ginseng đã được biết đến như là nhân tố kỳ diệu để tăng cường sức khoẻ và kéo dài tuổi thọ. Thành phần hoạt chất chính có trong nhân sâm được xác định là ginsenoside, thuộc nhóm saponin triterpenoid [167]. Furuya (1988) đã nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần môi trường và ĐHST để tăng lượng ginsenoside [45]. Nuôi cấy tế bào cây nhân sâm trên quy mô lớn đã được Yasuda và cs (1972) công bố [180]. Sau đó, quy trình nuôi cấy ở quy mô công nghiệp đã được công ty Nitto Denko (Ibaraki, Osaka, Nhật Bản) thực hiện trong hệ lên men có cánh khuấy với dung tích 2000 và 20.000 L, năng suất ginsenoside đạt được là 500-700 mg/L/ngày [60]. Quy trình này được xem như là một bước ngoặc quan trọng trong thương mại hóa nuôi cấy mô và tế bào ở quy mô lớn. Wang và Zhong (2002) nhận thấy bổ sung methyljasmonate hoặc dihydro-methyl jasmonate vào môi trường nuôi cấy đã tăng khả năng hiệu suất ginsenoside của tế bào cây nhân sâm [173]. Nuôi cấy rễ được gây nhiễm Agrobacterium rhizogenes đã được tiến hành và hiệu suất ginsenoside đạt được cao hơn 3 lần so với nuôi cấy loại callus tạo từ rễ bình thường [60]. Các kết quả nghiên cứu này cho thấy, nuôi cấy tế bào cây nhân sâm vẫn là lĩnh vực thu hút nhằm thương mại hóa trên thế giới và là tiềm năng to lớn cho công nghiệp hóa sinh [138].
23
L-DOPA là một tiền chất của các alkaloid, betalain và melanine; được tách chiết từ các cây Vinca faba, Mucuna, Baptisia và Lupinus [148]. Nó còn là một tiền chất của catecholamine ở động vật và được sử dụng như là một loại thuốc tiềm năng cho điều trị bệnh Parkinson [62]. L-DOPA được dùng rộng rãi trong điều trị bệnh nên có nhu cầu lớn và giá thành cao, chính vì thế nuôi cấy tế bào được xem như là phương thức thay thế để sản xuất L-DOPA nhiều hơn [26]. Teramoto và Komamine (1988) đã tạo callus của cây Mucuna hassjoo, M. pruriense, M. deeringia và tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy. Kết quả nghiên cứu cho thấy, nồng độ cao nhất của L-DOPA thu được khi nuôi cấy tế bào của cây
M. hassjoo trên môi trường MS bổ sung 0,025 mg/L 2,4-D và 10 mg/L kinetin [156]. Hàm lượng L-DOPA trong tế bào nuôi cấy đạt khoảng 80 mmol/g khối lượng tươi cũng đã được Vanisree và cs (2004) công bố [162].
Berberine là một isoquinoline alkaloid có trong rễ của cây Coptis japonica
và trong vỏ của cây Phellondendron amurense. Bằng cách chọn dòng có năng suất cao, nhóm nghiên cứu của Mitsui và cs đã tạo ra berberine trên quy mô lớn với năng suất 1,4 g/L sau hơn 2 tuần nuôi cấy [167]. Với việc sử dụng chất kích kháng polysaccharide của nấm men, Sarin (2005) đã thành công trong việc sản xuất với mức tương đối cao của berberine trong nuôi cấy tế bào cây T. rugosum
[138]. Ảnh hưởng của permidine lên sản xuất berberine trong nuôi cấy tế bào cây
T. minus cũng đã được công bố bởi Hara và cs(1991) [57].
Diosgenin là tiền chất cho tổng hợp hóa học của thuốc steroidal và cực kỳ quan trọng trong công nghiệp dược phẩm [39]. Tal và cs (1983) đã nghiên cứu sản xuất diosgenin bằng nuôi cấy tế bào cây D. deltoidea. Họ nhận thấy rằng hàm lượng carbon và nitrogen ảnh hưởng lớn đến sự tích lũy diosgenin trong một dòng tế bào nuôi cấy [154]. Ishida (1988) nhận thấy sản xuất diosgenin được kích thích khi tiến hành nuôi cấy cố định tế bào cây D. deltoidea, với sản lượng tăng 25%.Kaul và cs (1969) đã nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố lên sản xuất diosgenin trong nuôi cấy callus và huyền phù tế bào cây D. deltoidea [70]
24
Campothecin là một alkaloid kháng ung thư tiềm năng có trong cây
Camptotheca acuminate (Padmanabha, 2006). Sakato và Misawa (1974) đã nghiên cứu tạo callus của cây C. acuminata trên môi trường MS bổ sung 0,2 mg/L 2,4-D và l mg/L kinetin và nuôi cấy lỏng với sự có mặt của gibberellin và L-tryptophan; hàm lượng camptothecin thu được khoảng 0,0025% khối lượng khô [136]. Nghiên cứu của Thengane và cs (2003) cho thấy, khi nuôi cấy tế bào cây C. acuminata trên môi trường MS có bổ sung 4 mg/L NAA thì sự tích lũy camptothecin đạt được là 0,998 mg/L [160].
Vincristine và vinblastine là các indole alkaloid nhị trùng ngưng đã trở thành thuốc có giá trị trong hóa trị liệu ung thư bởi hoạt tính kháng ung thư tiềm năng của chúng chống lại nhiều khối u rắn và bạch cầu. Những hợp chất này chiết tách thương mại từ số lượng lớn của cây dừa cạn. Do hàm lượng vincristine và vinblastine chứa trong cây thấp (0,0005%), vì vậy nuôi cấy tế bào đã được nghiên cứu như một sự thay thế cho sản xuất một lượng lớn các alkaloid này [113]. Vinblastine hợp thành từ catharanthine và vindoline. Vì vindoline có nhiều catharanthin trong cây hoàn chỉnh nên nó ít đắt tiền hơn [20]. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiều hợp chất như vanadyl sulphate, abscisic acid và sodium chloride lên sản xuất catharanthin cũng đã được công bố bởi Smith và cs (1987) [146]. Ảnh hưởng của nhiều yếu tố như stress, bổ sung chất điều hòa sinh trưởng, các chất kích kháng và các tiền chất tổng hợp lên sản xuất indole alkaloid cũng đã được Zhao và cs (2001a; 2001b) công bố [189], [190].
Các chất tanshinone thuộc nhóm quinoid diterpenoid được cho là những chất có hoạt tính của cây Salvia miltiorrhiza, chúng được dùng làm dược liệu truyền thống của Trung Quốc [174]. Nakanishi và cs (1983) đã thiết lập được một dòng tế bào có chứa một lượng lớn cryptotanshinone từ cây S. miltiorrhiza
[110]. Shimomura và cs (1991) nghiên cứu nuôi cấy rễ bất định cây S. miltiorrhiza và khảo nghiệm các điều kiện nuôi cấy cho hiệu suất tanshinone cao [141]. Sản xuất diterpenoid ở rễ tơ của cây S. miltiorrhiza cũng đã được Hu và Alfermann (1993) nghiên cứu [61].
25
Podophyllotoxin là nguyên liệu khởi đầu cho việc điều chế các dẫn xuất bán tổng hợp như toposide, teniposide và được dùng rộng rãi trong điều trị kháng khối u [31]. Các cây Podophyllum peltatum và Podophyllum hexandrum
sinh trưởng rất chậm, việc thu hồi podophyllotoxin từ tự nhiên cũng gặp khó khăn. Do đó, những hạn chế trong việc cung cấp podophyllotoxin từ tự nhiên cần phải được khắc phục [117]. Nuôi cấy tế bào cây P. peltatum để sản xuất podophyllotoxin được nghiên cứu đầu tiên bởi Kadkade (1982) [69]. Để tăng sản lượng của podophyllotxin, Woerdenberg và cs (1990) đã sử dụng phức chất conifery1 alcohol và b-cyclodextrin để nuôi cấy huyền phù tế bào cây P. hexandrum [178].