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技术天地
细胞培养

             

    细胞培养技术也叫细胞克隆技术,在生物学中的正规名词为细胞培养技术。不论对于整个生物工程技术,还是其中之一的生物克隆技术来说,细胞培养都是一个必不可少的过程,细胞培养本身就是细胞的大规模克隆。细胞培养,既包括微生物细胞的培养,也包ǘ?锖椭参锵赴?岸?参镒橹?呐嘌??细胞培养技术可以由一个细胞经过大量培养成为简单的单细胞或极少分化的多细胞,这是克隆技术必不可少的环节,而且细胞培养本身就是细胞的克隆。通过细胞培养得到大量的细胞或其代谢产物。因为生物产品都是从细胞得来,所以可以说细胞培养技术是生物技术中最核心、最基础的技术。

  细胞的生长需要一定的营养环境,用于维持细胞生长的营养基质称为培养基。培养基按其物理状态可分为液体培养基和固体培养基。液体培养基用于大规模的工业生产以及生理代谢等基本理论的研究工作。液体培养基中加入一定的凝固剂(如琼脂)或固体培养物(如麸皮、大米等)便成为固体培养基。固体培养基为细胞的生长提供了一个营养及通气的表面,在这样一个营养表面上生产的细胞可形成单个菌落。因此,固体培养基在细胞的分离、鉴定、计数等方面起着相当重要的作用。从多细胞生物中分离所需要细胞和扩增获得的细胞以及对细胞进行体外改造,观察,必须首先解决细胞离体培养问题,同微生物细胞培养的难易相比,比较困难的是来自多细胞生物的单细胞培养,特别是动物细胞的培养。
  1、细胞培养的一般条件
  简言之,既细胞需要什么就提供什么,道理是如此,真正能做到这点尚需时日,人们至今对细胞的生命周期控制机理认识不足,癌细胞虽然也来自正常细胞,但至今不知道究竟为什么癌细胞很难停止已经启动的有害分裂,尽管如此,人们长期的研究结果表明,离体细胞培养需要的基本条件就是下列细胞生理条件。
  (1)温度
  温度过低时细胞生长缓慢甚至不生长。利用冷冻保藏细胞可保持细胞的原有分裂分化能力。温度过高导致细胞死亡。这主要是由酶和蛋白质所需要的最适温度决定的。多数生物大分子遇到高温后容易导致空间结构改变或者丧失(变性)。细胞膜遇到高温后容易变态。在自然界,即有耐高温的细胞,也有耐低温的细胞。在极端情况下生长的生物对付极端环境的机制研究在生物进化和农业、环保、发酵工业中意义重大。
  (2)pH
  过酸或过碱可导致细胞死亡。这主要与蛋白质的变性和细胞膜的结构受损有关。
  (3)渗透压
  细胞内外可溶于水的物质比例和种类决定细胞的膨胀与收缩程度,因为细胞膜是半透膜,只允许对自己有利的物质通过。同一物质在细胞内外的分布的数量不同,当某一种极溶于水的物质在细胞外浓度过大时,有可能导致细胞干瘪死亡,这些物质在细胞内过多时导致细胞过量吸水膨胀。细胞膜调节渗透压的能力是有限的。
  (4)营养物
  营养物和水一起,又叫细胞培养液,培养液中含有细胞增殖和生长所需要的各种物质。营养物包括:N 源、C源,这些物质与提供能量有关;无机盐、维生素、激素,这些物质与代谢调节控制有关。细胞培养液的设计一直是细胞离体培养技术的关键。理想的细胞培养液可以同时解决细胞离体培养所需要的pH、渗透压、营养物、调节物质的全部需要。在干细胞分化研究与应用中,关键是找到一种使干细胞分化成为所需细胞和组织的营养液。相同的人干细胞,放在不同的营养液中分化培养出人的各种脏器,这个昔日的梦想已经开始成为现实。植物细胞的组织培养技术已经基本完善配套。名贵花卉、中草药、脱毒马铃薯、组织培养莲菜苗等植物细胞与组织培养技术的不断完善,特别是由于组织培养液的商品化已经被广大农民普遍接受。
  (5)水
  水是细胞需要数量最大的物质,不同的物种、不同部位、不同生长期的细胞含水量差别相当大。干旱植物细胞的含水量高达90%。水的需求量一般随同细胞培养液一起考虑。
  (6)无菌条件
  体外细胞培养仅仅是对所需的细胞进行培养,但环境中(如空气)有各种其他微生物,必须对所需细胞进行无杂菌的隔离培养。无菌条件是细胞离体培养最基本的条件。
  (7)光
  植物细胞和少数细菌需要利用光进行光合作用。
  (8)气体
  动物细胞需要不断供给氧气和排除二氧化碳,植物细胞与此相反。
  2、动物细胞培养的特殊条件
  在所有的细胞离体培养中,最困难的是动物细胞培养。下面是它所需要的特殊条件。
  (1)血清:动物细胞离体培养常常需要血清。最常用的是小牛血清。血清提供生长必需因子,如激素、微量元素、矿物质和脂肪。有一天人们真正学会了配制和血清一样的培养液,那时血清才可被取代。在这里,血清等于是动物细胞离体培养的天然营养液。
  (2)支持物:大多数动物细胞有贴壁生长的习惯。离体培养常用玻璃,塑料等作为支持物。
  (3)气体交换:二氧化碳和氧气的比例要在细胞培养过程中不断进行调节,不断维持所需要的气体条件,每一次开箱操作后的快速恢复对设备的要求可想而知有多难?由此决定了动物细胞离体培养设备要求高、投资大。
  3、植物细胞培养的特殊条件
  (1)光照:离体培养的植物细胞对光照条件不甚严格,因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给的。但光照不但与光合作用有关,而且与细胞分化有关,例如光周期可对性细胞分化和开花调控作用,所以以获得植株为目的的早期植物细胞培养过程中,光照条件特别重要。以植物细胞离体培养方式获得重要物质,如药物的过程,植物细胞大多是在反应器中悬浮培养。
  (2)激素:植物细胞的分裂和生长特别需要植物激素的调节,促进生长的生长素和促进细胞分裂的分裂素是最基本的激素。植物细胞的分裂,生长,分化和个体生长周期都有相应的激素参与调节。和动物细胞相比,植物细胞离体培养对激素要求的原理已经了解,其应用技术也已相当成熟,已经有一套广泛作为商品使用的培养液。同时解决了植物细胞对水、营养物、激素、渗透压、酸碱度、微量元素等的需求。
  4、微生物细胞培养的特殊条件
  微生物多为单细胞生物,野生生存条件比较简单。所以微生物人工培养的条件比动植物细胞简单得多。其中厌氧微生物培养比好氧微生物复杂,因为严格厌氧需要维持二氧化碳等非氧的惰性气体浓度,而好氧微生物则只需要通过不断搅拌提供无菌氧气。微生物对培养条件要求不如动植物细胞那样苛刻,玉米浆、蛋白胨、麦芽汁、酵母膏等成为良好的微生物天然培养基。对于一些特殊微生物的营养条件要求,可以在这些天然培养基的基础上额外添加。
 
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