Sản xuất các chất thứ cấp
Các chất trao đổi thứ cấp hay còn gọi là các chất thứ cấp có thể xếp trong ba
nhóm chính: alkaloid, tinh dầu và glycoside. Các alkaloid có dạng tinh thể là
các hợp chất chứa nitrogen, có thể được tách chiết bằng cách dùng dung dịch
acid.
Alkaloid có hoạt tính sinh lý trên tất cả động vật và được sử dụng trong công
nghiệp dược. Họ alkaloid bao gồm: codein, nicotine, caffeine và morphine.
Các tinh dầu chứa hỗn hợp terpenoid và được sử dụng như là chất mùi, chất
thơm và dung môi. Glycoside bao gồm các phenolic, tanin và flavonoid,
saponin và các các chất mùi thực phẩm và dược phẩm.
Một trong những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến việc sản xuất các chất
thứ cấp từ tế bào thực vật là sự phân hóa hình thái. Nhiều chất thứ cấp được
sản xuất trong suốt quá trình phân hóa tế bào. Vì thế, chúng thường được tìm
thấy trong các mô có tính đặc trưng cao như là rễ, lá và hoa. Do sự phân hóa
hình thái và sự trưởng thành không xuất hiện trong nuôi cấy tế bào, nên các
chất thứ cấp có khuynh hướng ngưng tạo thành trong nuôi cấy tế bào thực
vật. Chỉ một số giới hạn hệ thống nuôi cấy tế bào thực vật là có thể sản xuất
một lượng vừa phải các chất thứ cấp, cho dù thực vật tự nhiên cyanogenic
glycoside, một số trong chúng được sử dung làm chất nhuộm, mà từ đó các tế
bào được thu thập, là có thể sản xuất chúng.
Tuy nhiên, các tế bào không phân hoá trong nuôi cấy dịch huyền phù thường
tạo thành một khối khoảng vài trăm tế bào do tính chất dính nhớt của bề mặt
tế bào, từ sự tiết ra của các polysaccharide cũng như mật độ cao của tế bào.
Do gradient nồng độ và sự tương tác tế bào, các tế bào ở giữa khối sẽ được
tiếp xúc với môi trường, điều đó khác với các tế bào ở bên ngoài. Do đó, sự
phân hóa sẽ xuất hiện tới một mức độ nào đó trong khối để cho phép tạo
thành các chất thứ cấp.
Sự kết khối trong nuôi cấy tế bào thực vật.
Một số kết quả nghiên cứu cho rằng một số nuôi cấy dịch huyền phù có khả
năng tổng hợp các sản phẩm đặc biệt có nồng độ cao hơn so với cây mà từ đó
chúng bắt nguồn. Chẳng hạn: Schulte và cs (1987) đã thông báo sự tạo thành
các anthraquinone trong các nuôi cấy tế bào (được tối ưu các điều kiện) đã
vượt trội các cây sinh trưởng trong điều kiện tự nhiên (17/19 loài khác nhau)
thuộc các chi Asperula, Galium, Rubia và Sherardia. Hiệu suất anthraquinone
cao nhất là trường hợp của loài Galium verum (1,7 g/L) và nồng độ cao nhất
là ở loài Rubia fruticosa (20% trọng lượng khô).
Đã có những bằng chứng rõ ràng cho thấy có mối quan hệ ngược (feedback)
giữa tốc độ sinh trưởng và khả năng sản xuất các chất thứ cấp. Khi tốc độ
sinh trưởng cao, các quá trình sơ cấp của tế bào là phân chia tế bào và sản
xuất sinh khối tế bào đã diễn ra mạnh mẽ. Ngược lại, trong pha tĩnh khi sự
sinh trưởng giảm đến mức tối thiểu, thì lúc này hoạt động sản xuất và tích lũy
các chất thứ cấp đã tăng lên.
Thành phần môi trường cũng có ảnh hưởng một cách ý nghĩa đến số lượng
các chất thứ cấp được sản xuất. Yêu cầu cơ bản khi thiết kế các công thức
môi trường dinh dưỡng là đảm bảo hoàn thành sự sinh trưởng của tế bào. Sau
khi tế bào đạt đến một quần lạc nhất định, sự thay đổi thành phần môi trường
cũng có thể ảnh hưởng đến sự tích lũy sản phẩm. Chẳng hạn, người ta đã cải
thiện sản lượng của shikonin có nguồn gốc từ nuôi cấy dịch huyền phù tế bào
của cây Lithospermum erythrorhizon bằng cách dùng môi trường sản xuất để
thay cho môi trường sinh trưởng. Môi trường sản xuất thường chứa nhiều
sucrose hơn nhưng ít các thành phần vô cơ và vitamin hơn so với môi trường
sinh trưởng.
Tích lũy sản phẩm bằng nuôi cấy tế bào thực vật có thể được kích thích bởi
các elicitor sống hoặc không sống. Các elicitor sống là các hợp chất hoặc các
chất có nguồn gốc từ vi sinh vật và các elicitor không sống là các tác nhân
gây stress như chiếu xạ UV, sốc thẩm thấu, hoặc các ion kim loại nặng. Các
elicitor sống (biotic) thường được sản xuất bằng cách nghiền đồng thể hệ sợi
nấm và vô trùng dịch thu được. Ảnh hưởng của các biotic elicitor lên sự tích
lũy của các chất thứ cấp tùy thuộc vào đặc trưng và nồng độ của elicitor, thời
gian tiếp xúc elicitor, và giai đoạn sinh trưởng của tế bào thực vật.