Uprawy nie z tej ziemi. Te rośliny dzisiaj wykorzystuje farmakologia

Co najmniej 7 tysięcy związków stosowanych w lecznictwie (m.in. leki moczopędne, przeciwbólowe, hormonalne czy przeciwnowotworowe) jest pochodzenia roślinnego. Stanowią one aż 11% spośród 252 leków uznawanych przez Światową Organizację Zdrowia za kluczowe. Ale rośliny dostarczają też suplementów diety, aromatów, barwników i składników kosmetyków.

Niestety nie wszystkie cenne gatunki roślin łatwo uprawiać na masową skalę - te o szczególnym znaczeniu medycznym często rosną bardzo wolno, często wymagają też specyficznych warunków albo są endemitami i występują tylko na niewielkim obszarze lub zasiedlają konkretne wyspy. Prowadzi do przetrzebienia dzikich populacji, zagrażając ich przetrwaniu. Endemiczny dla Madagaskaru Katarantus różowy (Catharanthus roseus) jest źródłem m.in. leków przeciwnowotworowych (winkrystyny i winblastyny), a w naturze jest zagrożony wyginięciem.

Przetrzebienie dotknęło też zasiedlający Indie i Azję Południowo-Wschodnią krzew Nothapodytes foetida, źródło kamptotecyny, innego leku przeciwnowotworowego czy Bacopa monnieri, cenioną za liczne związki poprawiające pamięć, przeciwdrgawkowe i antydepresanty. Rauwolfia (Rauvolfia tetraphylla) mimo szerokiego zasięgu obejmującego Meksyk, Amerykę Środkową i Południową także jest zagrożonym gatunkiem, produkującym rezerpinę stosowaną w leczeniu łagodnego nadciśnienia, ajmalinę o działaniu przeciwarytmicznym i johimbinę, stosowaną w leczeniu impotencji.

O skali zapotrzebowania może zaświadczyć cis (Taxus sp.) - jeszcze pół wieku temu by uratować jednego chorego na nowotwór trzeba było poświęcić życie około 50 tych wolnorosnących krzewów, by wyizolować z ich kory skuteczną dawkę leku - taksolu (paklitakselu). Wszystko dlatego, że zawartość substancji aktywnych jest bardzo niska. Ale biotechnologia nie stoi w miejscu - obecnie cis przeżywa zbiory, gdyż do produkcji leku wystarczy wytwarzany w jego szpilkach prekursor, który metodami syntezy chemicznej może być przeprowadzony do ostatecznej, skutecznie działającej formy.

Podobną metodę stosuje się też przy produkcji niektórych pigułek antykoncepcyjnych. Choć może wydawać się to nieintuicyjne, rośliny produkują liczne związki steroidowe - testosteron, progesteron czy estrogeny (a zatem hormony typowo uznawane za zwierzęce), a także ich prekursory oraz związki charakterystyczne tylko dla roślin, jak diosgenina. Tę ostatnią gromadzi w znacznych ilościach w swych korzeniach pochrzyn (Dioscorea villosa) i po oczyszczeniu diosgenina może być chemicznie przekształcona do progesteronu, lądując w pigułkach "naturalnego pochodzenia".

Krokiem naprzód jest rezygnacja z plantacji na korzyść hodowli komórkowych. Te są znane już od lat, pierwsze produkty uzyskiwane z tego typu hodowli in vitro pojawiły się w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku - produkowano tak m.in. preparaty z żeń-szenia. Takie metody hodowli sprawdziły się w przypadku cisu czy katarantusa. W ostatnim dziesięcioleciu techniki te przeżywają nie tylko przyspieszony rozwój, ale pojawia się też coraz więcej komercyjnie dostępnych produktów uzyskanych metodami tego typu.

Około 2013 roku pojawiły się nawet pierwsze produkty żywnościowe  jak Cocovanol™ (kakao o znikomej zawartości kofeiny i jej pochodnej - teobrominy, za to bogatych prozdrowotne polifenole i związki nadające aromat) czy PhytoVanilla™ (ekstrakt naturalnej wanilii). Niestety wysokie koszty koszty produkcji tych specjałów szybko doprowadziły do zawieszenia biznesów. Z takim problemem znacznie lepiej radzą sobie dodatki do kosmetyków oraz suplementy diety.

Mibelle Biochemistry w 2008 roku wprowadziła na rynek ekstrakt z roślinnych komórek macierzystych jabłoni (PhytoCELLTECH Malus domestica), który dzięki bogactwu witamin i składników aktywnych biologicznie chroni i wzmacnia skórę. Ekstrakty tego typu znajdują zastosowanie jako dodatki w kosmetykach (kremach, maseczkach, odżywkach do włosów) wielu wiodących marek jak Dior, Lancôme czy Guerlain.

Ekstrakty z hodowanych w laboratorium komórek macierzystych bzu pachnącego (lilaka, Syringa vulgaris) pomagają okiełznać wydzielanie sebum i problemy z trądzikiem. Poprawę stanu skóry zapewniają ekstrakty z hodowli komórkowych storczyków, ryżu, lotosu, żeń-szenia, herbaty czy winorośli. Hodowle komórek roślinnych  to także źródło suplementów diety - w Europie dopuszczono już sprzedaż preparatów Teupol (działa przeciwzapalnie i hamuje wypadanie włosów), Echinan 4P (wzmocnienie odporności) czy Acteos 10P (przeciwzapalny, wspomagający przy zapaleniu stawów).

Konkurencyjne do tradycyjnych metod upraw roślin są też biotechnologiczne sposoby uzyskiwania barwników niebieskich lub czerwonych antocyjanów, czerwonych betacyjanin (komórki buraków) i purpurowej szikoniny (ang. shikonin, pozyskiwanej z nawrotu, Lithospermum erythrorhizon). Służą one barwieniu produktów żywnościowych, a szikonina jest też używana do produkcji "bioszminek". Trwają prace nad wdrożeniem smacznych i bogatych w witaminy grudek komórek będących zamiennikiem owoców malin, pozwalając na "zbiory" przez okrągły rok.

Sama idea hodowli komórek roślinnych jest całkiem prosta i opera się na zastosowaniu zastępujących glebę pożywek wzbogaconych w minerały i cukry (komórki w takich hodowlach mają problemy z wydajnym prowadzeniem fotosyntezy, a z punktu widzenia biotechnologa nie muszą tego robić, gdyż powinny zainwestować swój potencjał w kierunku produkcji aktywnych substancji).

Taka uprawa jest aseptyczna, pozbawiona bakterii i grzybów, co jest jeszcze jednym atutem za jej wykorzystaniem. Dodatkowo pożywka taka musi zawierać hormony roślinne (np. wykorzystywane w ukorzeniaczach auksyny, a także cytokininy, w odpowiednich stężeniach i proporcjach), tworząc chemiczne polecenia dla komórek, by te dzieliły się i tworzyły niezróżnicowaną masę komórek - kalus. Może on powstawać z dowolnej komórki np. liścia lub komórek kambium (czyli rzeczywiście komórek macierzystych roślin). Pojemnik z taką hodowlą staje się zatem bioreaktorem, pozwalającym na namnażanie biomasy komórek roślinnych, z których można potem wycisnąć i oczyścić cenne składniki.

Jednak o wiele częściej jest to zaledwie etap pośredni do uzyskania kultur korzeni włośnikowych oraz tzw. kultur zawiesinowych - kalus (lub korzonki) wrzuca się wtedy do zbiornika wypełnionego pożywką płynną i miesza. Z czasem grudki kalusa rozpadają się i namnażają w postaci zawiesiny komórek, bardzo wydajnie produkujących składniki aktywne biologicznie. Przynajmniej w teorii, bo choć wydajność produkcji szikoniny taką metodą rzeczywiście około 800 razy przewyższa tradycyjne metody a żeń-szeń jest gotowy do zbioru po miesiącu, a nie po 7 latach, to w przypadku wielu roślin kalus okazuje się nie tak chętny do współpracy.

Stąd gros badań naukowych poświęconych jest także sposobom zmuszenia kalusa do produkcji aktywnych biologicznie związków. W naturze służą one do obrony przed patogenami, odstraszają lub podtruwają roślinożerców albo chronią roślinę w niekorzystnych warunkach pogodowych. Dlatego też stres abiotyczny (np. promieniowanie UV, toksyczne sole srebra lub miedzi, użycie hormonów "alarmowych", jak jasmonian metylu lub kwas salicylowy) lub biotyczny (ekstrakty z uśmierconych patogennych bakterii i grzybów) skutecznie stymulują produkcję i akumulację cennych związków aktywnych biologicznie u licznych gatunków roślin, stając się przydatnym narzędziem w ręku biotechnologa.

Czasem jednak nawet taki zabieg nie pomaga, a wtedy kalus może być dokarmiany prekursorami danego związku, które wydajnie zamieniane są w docelowy produkt. W ostateczności sięgnąć można po modyfikacje genetyczne by odpowiednio podkręcić i nasilić szlaki syntezy aktywnych biologicznie metabolitów za pomocą nadekspresji kluczowych enzymów zaangażowanych w taki proces lub wyłączając konkurencyjne szlaki, które podbierają substraty do produkcji. Inżynieria genetyczna otwiera także nowe możliwości wykorzystania kultur zawiesinowych komórek roślinnych, gdyż pozwala produkować w nich dowolne białko np. wchodzące w skład szczepionek przeciw COVID-19. Taka szczepionka najprawdopodobniej trafi na rynek jeszcze w tym roku. Niestety społeczne obawy i skuteczne lobby przeciw GMO skutecznie ograniczają możliwość rozwijania pozamedycznych zastosowań takich biotechnologii, dlatego też nie należy się w najbliższej przyszłości spodziewać kosmetyków bogatszych w witaminy dzięki modyfikacjom genetycznym. Należy się za to spodziewać, że coraz więcej i więcej produktów pochodzenia roślinnego będzie mieć swój początek w bioreaktorach.

Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii

Uniwersytet Jagielloński

Członek stowarzyszenia Rzecznicy Nauki