Особенности технологии процессов с участием растительных и животных клеток и соответствующих реакторов

В настоящее время культуры животных клеток используются для производства ряда ценных продуктов, в том числе вакцин, протеолитического фермента урокиназы, моноклональных антител и интерферонов. С помощью культур животных клеток можно также получать лимфокины (белки, оказывающие регуляторный эффект на иммунную систему), многие ферменты, факторы роста, факторы свертывания крови и гормоны.

Технология рекомбинантных ДНК позволяет получать некоторые из этих веществ и другими путями, и в то же время открывает новые перспективы для синтеза различных веществ с помощью культур животных клеток. С одной стороны, возможность экспрессии чужеродных белков в микроорганизмах означает, что для производства этих белков в значительных количествах можно пользоваться микробиологическими процессами. В то же время, как отмечалось в разд. 6.4.4, белок, синтезируемый в животных клетках, часто подвержен различным посттрансляционным модификациям; прокариоты не способны осуществлять такие превращения. Отсюда следует, что для получения веществ, проявляющих необходимую активность или устойчивость только после посттрансляционных модификаций, нужны эукариотические клетки-хозяева. Экспрессия некоторых эукариотических белков в прокариотах-хозяевах затруднена также в силу протеолиза этих белков или невозможности их складывания в определенную пространственную структуру. Наряду с совершенствованием методов экспрессии чужеродных генов в животных клетках расширяются перспективы промышленного применения рекомбинантных систем с участием животных клеток.

Многие полезные и интересные вещества в принципе можно синтезировать в культурах растительных клеток. Кроме того, культивирование растительных клеток может облегчить решение задач генной инженерии растений и в конце концов привести к реализации возможности регенерации целого продуктивного растения из клеток культуры тканей. Культивированию растительных и животных клеток свойственны некоторые общие черты, осложняющие проектирование реакторов, предназначенных для роста культур таких клеток. Многие типы растительных и животных клеток в естественной сфере их обитания существуют в виде тканей — плотных структур, построенных из множества одинаковых клеток. В нативном окружении ткани постоянно контактируют с жидкостями организма, которые имеют определенный состав и содержат множество регуляторных соединений, оказывающих существенное влияние на функционирование клеток. Наконец, скорости роста многих растительных и животных клеток в естественных условиях очень низки. При росте погруженных культур таких клеток возникают трудности в обеспечении окружения, способствующего росту клеток; многие типы растительных и животных клеток, помещенные в культуральную среду, вообще не растут. Если эти трудности устранены, то наша следующая цель будет заключаться в подыскании таких условий культивирования, которые обеспечивают достижение высокой плотности клеток в культуре за минимальное время при сохранении метаболических механизмов клеток, ответственных за необходимые реакции.

В этом разделе основное внимание будет уделено изучению подходов к созданию сред и условий, поддерживающих жизнеспособность животных клеток; здесь мы дадим также краткий обзор результатов некоторых работ с животными клетками. Изучение культур растительных клеток пока только начинается, и поэтому мы уделим ему лишь несколько строк в конце раздела. Количественные параметры кинетики процессов с участием культур животных клеток практически неизвестны из-за высокой стоимости таких процессов, малой скорости роста клеток, что приводит к существенному увеличению продолжительности экспериментов, и отчасти из-за недостаточной изученности этих объектов. Во многих случаях неизвестны даже лимитирующие рост клеток питательные вещества, а описания зависимости кинетики роста животных клеток и образования продуктов их жизнедеятельности от концентрации питательных веществ и ингибиторов, рН, температуры и других параметров окружения вообще недоступны. Хотя при проектировании реакторов определяющим фактором считается влияние механических сил на культуры растительных и животных клеток, до сих пор не проводилось систематического изучения влияния механического воздействия на жизнеспособность, рост и морфологию клеток с тем, чтобы результаты этих исследований были бы положены в основу инженерных расчетов. Вместо этого были предложены конструкции аппаратов и конкретные формы биокатализаторов, обеспечивающие повышение скорости роста клеток, достижение более высокой плотности клеток в культуре и более высокого выхода продукта процесса с участием животных и растительных клеток. Хотя на базе такого чисто эмпирического подхода достигнуты значительные успехи, тем не менее очевидно, что выяснение закономерностей кинетики роста животных и растительных клеток и их технологических характеристик позволит добиться еще более существенного прогресса.