Ứng dụng hệ thống Bioreactor trong sản xuất số lượng lớn cây dược liệu và hoa cảnh

Ứng dụng hệ thống Bioreactor trong sản xuất số lượng lớn cây dược liệu và hoa cảnh Nhân giống trên quy mô lớn thực vật qua nuôi cấy phôi, mô và tế bào bằng bioreactor đang có nhiều triển vọng trong nhân giống cây trồng quy mô công nghiệp. Bioreactor sử dụng trong nuôi cấy mô tế bào thực vật được cải tiến từ các loại bioreactor trong nuôi cấy tế bào vi sinh. Bioreactor với hệ thống cung cấp và xả môi trường, hệ thống cấp và thoát khí vô trùng được thiết kế có khả năng tạo ra một môi trường nuôi cấy vô trùng, kiểm soát các yếu tố môi trường bên trong như sự lắc, sự thoáng khí, nhiệt độ, oxy hòa tan, pH...). Bioreactor có ba loại chính được phân biệt như sau: - Loại dùng để sản xuất sinh khối (sản phẩm là khối tế bào, các đơn vị phát sinh phôi, phát sinh cơ quan, chồi, rễ) - Loại dùng để sản xuất các chất chuyển hóa thứ cấp, enzyme - Loại dùng cho việc chuyển hoá sinh học các chất chuyển hóa ngoại sinh (là các chất tiền thân trong quá trình trao đổi chất) Nuôi cấy bằng bioreactor là một trong những phương pháp đầy hứa hẹn cho nhân giống với số lượng lớn tế bào, phôi soma hay các đơn vị phát sinh cơ quan (e.g. củ, hành, đốt, củ bi hay cụm chồi), trong đó đã có một số báo cáo về nhân giống các loại cây hoa cảnh và cây dược liệu bằng bioreactor. Tuy nhiên, sự mâu thuẫn trong việc tối ưu các loại bioreactor cũng như các thông số nuôi cấy cũng được nêu lên. Nguyên nhân chính là do sự khác nhau về loài, do đó cần phải quan sát cẩn thận từng trường hợp cụ thể. Khi chuẩn bị nuôi cấy trên một đối tượng nào đó, thông thường bắt đầu với hệ thống bioreactor nhỏ để tối ưu hóa các điều kiện nuôi cấy, sau đó việc nuôi cấy trong các bioreactor (500 – 1000 lít) quy mô lớn dễ dàng thực hiện hơn. Sản xuất các hoạt chất trao đổi thứ cấp Sản xuất các hoạt chất trao đổi chất thứ cấp bằng cách sử dụng tế bào thực vật là một hướng được quan tâm nghiên cứu. Năm 1959, báo cáo đầu tiên về nuôi cấy tế bào thực vật trên quy mô lớn đã được công bố (Tulecke và Nickell, 1959). Trong một vài năm trước, nhiều thành công trong nuôi cấy tế bào thực vật với số lượng lớn cũng được công bố. Ngày nay, việc nuôi cấy tế bào thực vật có thể thực hiện trong bình có thể tích lên tới 75.000 lít (Rittershaus et al., 1989). Trong số hàng trăm các sản phẩm thứ cấp có nguồn gốc từ tế bào thực vật chưa biệt hóa, shikonin, ginsenoside và berberine đã được sản xuất trên quy mô lớn, và đây thực sự là những thành công rực rỡ trong việc kết hợp giữa nuôi cấy tế bào thực vật với kỹ thuật bioreactor. Mặc dù các tế bào chưa biệt hóa chủ yếu được nghiên cứu, nhưng phương pháp nuôi cấy rễ và các cơ quan khác cũng được quan tâm rất nhiều. Khi nuôi cấy rễ có thể không cần sử dụng nguồn mẫu cấy rễ ban đầu nhiều vì chúng có tốc độ tăng trưởng rất cao. Một số thiết kế bioreactor dùng cho nuôi cấy rễ đã quan tâm đến sự phát sinh hình thái phức tạp và khả năng bị biến dạng của rễ (Giri and Narasu, 2000). Vấn đề chính của việc nuôi cấy rễ trong bioreactor là nguồn cấp oxy không đến được với sinh khối ở giữa bioreactor dẫn đến hậu quả là nhiều khối mô lão hóa. Vì rễ có nhiều nhánh nên nhiều rễ đan xen vào nhau có khả năng cản lại nguồn cung cấp khí cũng như dinh dưỡng cho các rễ nằm phía trong. Khả năng nuôi cấy rễ thành công để làm nguồn cho việc sản xuất các chất có hoạt tính sinh học phụ thuộc vào việc thiết kế các hệ thống bioreactor thích hợp, trong đó để đáp ứng được yêu cầu về nuôi cấy, việc theo dõi những chỉ số vật lý và hóa học trong bireactor không kém phần quan trọng. Vi nhân giống Tự động hóa sự phát sinh cơ quan trong bioreactor được đặt lên hàng đầu như là một phương pháp khả thi trong việc làm giảm chi phí của vi nhân giống (Takayama và Akita, 1994; Leathers et al., 1995; Chakrabarty và Paek, 2002; Paek et al., 2001). Các bộ phận cơ quan hay mô, tế bào thực vật có khả năng phát sinh cơ quan được nuôi cấy để chuẩn bị dùng làm nguồn nguyên liệu cho sản xuất quy mô lớn. Nuôi cấy củ bi khoai tây hay củ của cây hoa Lily cũng một hướng sản xuất giống cây trên quy mô lớn tạo ra một nguồn giống có thể trồng trực tiếp trên cánh đồng. Nhân nhanh chồi ngủ là phương pháp vi nhân giống cần nhiều lao động để sản xuất các dòng cá thể ưu tú, nhưng gần đây, việc áp dụng các loại bioreactor khác nhau và hệ thống ngập chìm tạm thời cho nhân giống chồi và các cụm chồi đã cho thấy đây là cách nhân giống trên quy mô lớn rất hứa hẹn. Hiện nay, nhiều cây có giá trị kinh tế đang được nghiên cứu nhân giống trong hệ thống bioreactor trên quy mô phòng thí nghiệm có kết quả rất tốt nhưStevia rebaudiana, hoa Thu hải đường, hoa lan Hồ Điệp, hoa Cúc, cây Táo, Nho, Dứa và Tỏi. Sự phát sinh phôi soma Sự phát sinh phôi soma (sinh dưỡng) cũng được áp dụng trong việc nhân nhanh cây trồng với số lượng lớn trong bioreactor tự động. Vi nhân giống truyền thống đòi hỏi một lực lượng lao động lớn sẽ hạn chế khả năng ứng dụng và tính thương mại. Phôi soma dễ sử dụng do chúng có kích thước tương đối nhỏ và đồng đều về kích cỡ, chúng không cần phải được cắt thành những mảnh nhỏ và tách rời khi nuôi cấy trong môi trường tăng sinh. Thêm vào đó, phôi soma có thể bảo quản trong thời gian dài ở nhiệt độ thấp hay sấy khô, thuận tiện cho vận chuyển và sản xuất với số lượng lớn. Sự sản xuất phôi soma trong bioreactor đã được công bố trên nhiều loài (Denchev et al., 1992; Cervelli và Senaratna, 1995; Moorhouse et al., 1996; Timmis, 1998; Ibaraki và Kurata, 2001; Paek và Chakrabarty, 2003), tuy nhiên cần nhiều cải tiến cho hệ thống bioreactor sản xuất phôi soma để có thể đương đầu với sự đồng bộ hóa sự phát triển phôi soma, nhận dạng được sự bất thường của phôi trong suốt quá trình nuôi cấy và giải quyết được các khó khăn trong quá trình thuần hóa ngoài vườn ươm. Tóm lại, các ưu điểm của bioreactor đã đưa đến sự phát triển của một kỹ thuật thích hợp cho việc nhân giống với quy mô lớn, hiện nay nhiều loài thực vật đã được nuôi cấy để sản xuất sinh khối cũng như nhân giống quy mô lớn bằng bioreactor. Tuy nhiên, một số loại thực vật không thích hợp với việc nuôi cấy trong môi trường lỏng. Hiện tượng thủy tinh thể thường xuyên xảy ra với các mô, chồi được nuôi cấy trong môi trường lỏng và khi chuyển những chồi này ra vườn ươm thì chúng dễ bị úa vàng cũng như bị mất nước do độ ẩm môi trường bên ngoài thấp, từ đó dẫn tới tỷ lệ sống sót thấp. Đối với việc nghiên cứu ứng kỹ thuật nuôi cấy trong bioreactor, vấn đề cần thiết hướng đến là cải thiện các điều kiện về môi trường hóa lý - như gia tăng sự trao đổi không khí, tăng cường độ ánh sáng và hàm lượng khí CO2 - để kỹ thuật này được áp dụng tốt hơn trong thực tế. Và cuối cùng theo như lời Vasil (1994) là: “Cái khó nhất trong việc nhân giống thực vật trên quy mô lớn sử dụng bioreactor là những khó khăn thuộc về phạm trù sinh học và chứ không phải nằm ở phía kỹ thuật cơ khí, máy móc”.