DE3007400A1 - METHOD FOR PRODUCING CODEIN FROM PLANT CELL CULTURES - Google Patents

METHOD FOR PRODUCING CODEIN FROM PLANT CELL CULTURES

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DE3007400A1
DE3007400A1 DE19803007400 DE3007400A DE3007400A1 DE 3007400 A1 DE3007400 A1 DE 3007400A1 DE 19803007400 DE19803007400 DE 19803007400 DE 3007400 A DE3007400 A DE 3007400A DE 3007400 A1 DE3007400 A1 DE 3007400A1
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Wolfgang W G Kurz
W H John Tam
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Canadian Patents and Development Ltd
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    • C07D489/02Heterocyclic compounds containing 4aH-8, 9 c- Iminoethano-phenanthro [4, 5-b, c, d] furan ring systems, e.g. derivatives of [4, 5-epoxy]-morphinan of the formula: with oxygen atoms attached in positions 3 and 6, e.g. morphine, morphinone
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Description

Beschreibungdescription

Die Erfindung betrifft die Herstellung des Morphinanalkaloids Godein und seine Gewinnung aus bestimmten Pflanzenzellenkulturen. Es wurde gefunden, daß ausgewählte Zellkulturen, die eine neue Form von cytodifferenzierten Zellen umfassen, Codein zu produzieren in der Lage sind.The invention relates to the production of the morphinan alkaloid Godein and its extraction from certain plant cell cultures. It has been found that selected cell cultures contain a new form of cytodifferentiated cells include, are able to produce codeine.

Opium enthält ungefähr 15 % wasserfreies Morphin. Codein, d. h. Morphin-3-methylather, liegt in Opium in einer Menge bis zu ungefähr 2,5 % vor und wird gewöhnlich aus Morphin durch Methylierung hergestellt. Die herkömmliche Opium-Mohn-Spezies ist Papaver somniferum L., P. setigerum DC. ist jedoch auch bekannt, ein Opiumprodukt, das Codein enthält, zu liefern. Codein besitzt antitussive und analgetische Eigenschaften mit einer nur geringen narkotischen Funktion und wird normalerweise als Sulfat verwendet. Codein ist 7,8-Didehydro-4,5-9i-epoxy-3-methoxy-17-methylmorphinan-6-Of-ol (C18H1NO3) mit einem Molgewicht von 299,36 und ist ein Glied der Morphinangruppe der Alkaloide. Andere Glieder dieser Gruppe sind Thebain (C gH2 NO3), der unmittelbare biosynthetische Vorläufer von Codein, sowie Morphin (C17H19NO3), das ähnlich wie Codein ein medizinisch wertvoller Wirkstoff ist. Codein besitzt die StrukturformelOpium contains approximately 15% anhydrous morphine. Codeine, ie morphine-3-methyl ether, is present in opium in an amount up to about 2.5% and is usually produced from morphine by methylation. The common opium poppy species is Papaver somniferum L., P. setigerum DC. however, it is also known to supply an opium product containing codeine. Codeine has antitussive and analgesic properties with little narcotic function and is normally used as a sulfate. Codeine is 7,8-didehydro-4,5-9i-epoxy-3-methoxy-17-methylmorphinan-6-of-ol (C 18 H 1 NO 3 ) with a molecular weight of 299.36 and is a member of the morphinane group the alkaloids. Other members of this group are thebaine (C g H 2 NO 3 ), the direct biosynthetic precursor of codeine, and morphine (C 17 H 19 NO 3 ), which, like codeine, is a medicinally valuable active ingredient. Codeine has the structural formula

CH3OCH 3 O

NCH3 NCH 3

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In den vergangenen Jahren wurden Pflanzenzellkulturmethoden bis zu der Stufe entwickelt, an welcher Kallus-Kulturen mit einem Vermögen, spezifische Pflanzenzellen zu erzeugen, in vitro aufrechterhalten werden können. Pflanzenzellen, die in vitro gezüchtet werden, behalten die genetische Information der Ursprungspflanze bei, d. h., daß sie bei der Induktion Wurzeln und Sprossen entwickeln oder Metaboliten erzeugen, die für die infrage stehende Spezies oder Varietät spezifisch sind. Daher können Zellkulturen, die auf Papaver somniferum L. und P. setigerum DC. zurückgehen, als eine potentielle Quelle für Mohn-Alkaloide, d. h. Morphinane, angesehen werden. Das Problem, das bei der Auswertung dieses Potentials auftritt, besteht darin, cytophysiologische Bedingungen zu schaffen, welche die Ausnutzung des biosynthetischen Potentials von Papaver-Zellkulturen ermöglichen. Es wurden Kallus-Gewebekulturen von Opiummohn hergestellt, wobei kürzlich die in einem derartigen Kallus-Gewebe vorliegenden Alkaloide identifiziert worden sind. Diese Kallus-Gewebe lieferten Benzophenanthridin-, Protopin- und Aporphin-Typ-Alkaloide, wobei jedoch keine Morphinan-Typ-Alkaloide, die in den ursprünglichen Pflanzen vorliegen, erhalten wurden (vgl. Furuya et al., "Phytochemistry" 11, 3041 - 3044, 1972; Ikuta et al., "Phytochemistry" 13, 2175 - 2179, 1974). Bei der Durchführung von Bioumwandlungsversuchen, bei deren Ausführung Alkaloide Kallus-Gewebekulturen von Papaver somniferum L. zugesetzt worden sind, hat es sich herausgestellt, daß diese Kulturen nicht die Fähigkeit besitzen, (RS)-Reticulin zu Thebain, Codein und Morphin zu metabolisieren, jedoch dazu in der Lage waren, zugesetzten (-)-Codeinon zu (-)-Codein zu mecabolisieren (Furuya et al., "Phytochemistry" 17, 891 - 893, 1978). Daher war es unter Einsatz der bisher bekannten Kallus-Kulturen von Opiummohn unmöglich, Codein oder Morphin zu synthetisieren. Eine Varietät einer anderen Mohnspezies, Papaver bracteatum Lindl. (die dafür bekannt ist, daß sie Thebain enthält), wurde zur Gewinnung von Kailus-Geweben (aus den Saatköpfen) verwendet, wobeiIn recent years, plant cell culture methods have been used developed to the stage at which callus cultures with an ability to produce specific plant cells can be maintained in vitro. Plant cells, which are grown in vitro retain the genetic information of the original plant, i. i.e. that When induced, they develop roots and sprouts or produce metabolites that are essential for the one in question Species or variety are specific. Therefore, cell cultures based on Papaver somniferum L. and P. setigerum DC. declining as a potential source of poppy seed alkaloids, i.e. H. Morphinane, be considered. The problem, what occurs in the evaluation of this potential is to create cytophysiological conditions, which enable the exploitation of the biosynthetic potential of Papaver cell cultures. Callus tissue cultures were made produced by opium poppy, recently identifying the alkaloids present in such callus tissue have been. These callus tissues yielded benzophenanthridine, protopine, and aporphine-type alkaloids, however no morphinan-type alkaloids present in the original Plants are present, were obtained (see. Furuya et al., "Phytochemistry" 11, 3041-3044, 1972; Ikuta et al., "Phytochemistry" 13, 2175-2179, 1974). During execution of bioconversion experiments, when carried out alkaloids callus tissue cultures of Papaver somniferum L. have been added, it has been found that these cultures do not have the ability to (RS) -reticulin to thebaine, codeine and morphine, but were able to convert added (-) - codeinone to (-) - codeine to mecabolize (Furuya et al., "Phytochemistry" 17, 891-893, 1978). Therefore, using the previously known callus cultures of opium poppy, it was impossible to To synthesize codeine or morphine. A variety of another poppy species, Papaver bracteatum Lindl. (the for is known to contain thebaine), was used to obtain kailus tissues (from the seed heads), whereby

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man festgestellt hat, daß diese Gewebe kleine Mengen Thebain liefern (0,1 % Thebain, bezogen auf das Trockengewicht des Saatkopfgewebes, vgl. die US-PS 4 114 314). Es war bisher nicht möglich, eine direkte Erzeugung von Codein aus Zellkulturen durchzuführen.These fabrics have been found to provide small amounts of thebaine (0.1% thebaine on a dry weight basis of the seed head tissue, see US Pat. No. 4,114,314). It was So far it has not been possible to produce codeine directly from cell cultures.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ausgewählte Zellkulturen, die auf den Opiummohn P. somniferum L. oder P. setigerum DC. zurückgehen, dahingehend angepaßt werden können, daß sie Codein aus Grundnahrungsmitteln erzeugen. Eine neue Zellkultur, die cytodifferenzierte polyploide Zellen enthält, welche Codein zu erzeugen in der Lage sind, wurde hergestellt.The invention is based on the knowledge that selected cell cultures which are based on the opium poppy P. somniferum L. or P. setigerum DC. can be adapted to produce codeine from staple foods. A new cell culture containing cytodifferentiated polyploid cells capable of producing codeine was produced.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Codein aus Pflanzenzellenkulturen, welches in folgenden Stufen besteht: (a) Herstellung eines Zellimpfmaterials aus Varietäten von Papaver somniferum L. oder Papaver setigerum DC, ausgewählt in der Weise, daß beim Zellenzüchten in einem geeigneten Pflanzenzellenkulturnährmedium, das wachstumsbegrenzt wird, cytodifferenzierte· polyploide Zellen gebildet werden, welche Codein zu erzeugen in der Lage sind, wobei diese cytodifferenzierten Zellen größer sind als die nicht-differenzierten Zellen, (b) Beimpfung eines geeigneten Nährmediums für Pflanzenzellenkulturen mit den Impfmaterialzellen und Vermehrenlassen dieser Zellen, bis wenigstens eine wesentliche Nährkomponente wachstumsbegrenzend wird, (c) Unterziehen dieser wachstumsbegrenzenden Kultur einer Cytodifferenzierung unter Bildung der polyploiden Zellen, (d) Anreicherung von Codein in dieser cytodifferenzierten Zellen-enthaltenden Kultur und (e) Gewinnung des Codeins aus der erhaltenen Kultur.The invention relates to a method for the production of codeine from plant cell cultures, which is described in the following Steps consists of: (a) Preparation of a cell inoculum from varieties of Papaver somniferum L. or Papaver setigerum DC, selected in such a way that when cells are grown in a suitable plant cell culture medium, that is growth-limited, cytodifferentiated · polyploid cells are formed which produce codeine are able, whereby these cytodifferentiated cells are larger than the undifferentiated cells, (b) Inoculation of a suitable nutrient medium for plant cell cultures with the inoculum cells and allowed to multiply subjecting these cells until at least one essential nutritional component becomes growth limiting, (c) subjecting them growth-limiting culture of a cytodifferentiation with the formation of the polyploid cells, (d) accumulation of Codeine in this cytodifferentiated cell-containing culture and (e) recovering the codeine from the obtained Culture.

Die Erfindung umfaßt ferner die neuen Zellen und die Kultur gemäß Stufe (c).The invention further comprises the new cells and the culture according to step (c).

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Die Erfindung wird durch die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche den wachstumsbegrenzten und cytodifferenzierten Zellkulturzustand von Zellen von Papaver somniferum L. wiedergibt. Die cytodifferenzierten polyploiden Zellen werden mit A und die nicht-differenzierten Zellen mit B gekennzeichnet, wobei die letzteren gewöhnlich als Aggregate auftreten.The invention is further illustrated by the accompanying drawings which show the growth-limited and cytodifferentiated Represents the cell culture state of cells from Papaver somniferum L. The cytodifferentiated polyploid cells are marked with A and the undifferentiated cells with B with the latter usually occurring as aggregates.

Versuche mit Papaver-Kulturen sowie mit anderen Zellstämmen, die auf Arzneimittelpflanzen zurückgehen, haben gezeigt, daß cytophysiologische Bedingungen, die für eine metabolitische Erzeugung günstig sind, einen gewissen Differenzierungsgrad erfordern. Je höher im allgemeinen der Prozentsatz der differenzierten Zellen ist, desto größer ist die Menge der angereicherten Metabolite. Da sich die Differenzierung und Zellteilung untereinander ausschließen, würde eine extreme Anteilnahme der Zellen bei der Differenzierung eine Kultur daran hindern, bezüglich der Zellenzahl anzuwachsen. Eine Differenzierung von Zellen kann durch eine Verringerung der wachstumsbegrenzenden Faktoren induziert werden, beispielsweise von Stickstoff, Kohlehydraten oder Wachstumshormonen. Eine Kultur erreicht einen Zeitpunkt, an welchem ein begrenzender Wachstumsfaktor erschöpft ist und ein Wachstum durch Zellteilung durch eine Differenzierung von Zellen ersetzt wird.Experiments with Papaver cultures as well as with other cell strains that go back to medicinal plants have shown that cytophysiological conditions which are favorable for a metabolic production, a certain Require a degree of differentiation. In general, the higher the percentage of cells differentiated, the higher the amount of accumulated metabolites is greater. Because the differentiation and cell division among each other exclude, an extreme involvement of the cells in differentiation would prevent a culture from referring to to increase the number of cells. Differentiation of cells can be limited by a reduction in growth Factors induced, for example by nitrogen, carbohydrates or growth hormones. One culture reaches a point in time when a limiting growth factor is depleted and growth through cell division is replaced by a differentiation of cells.

In wachstumsbegrenzten Papaver somniferum L.-Zellkulturen liefert diese Differenzierung, wie gefunden wurde, große Zellen, die polyploid sind und aus Aggregaten nichtdiff erenzierter kleinerer Zellen herausragen. Das Auftreten dieser Zellen fällt mit der Erzeugung von Codein in derartigen Kulturen zusammen. Die großen Zellen sind, wie man annimmt, die Stelle der Codeinanreicherung. Eine Ähnlichkeit großer Zellen mit Laticifers (Größe, Polyploidität, Auftreten einer Vielkeimbildung, Pigmentierung) wird angenommen. Die anfängliche Auswahl von Zellstämmen für die Codeinbildung kann daher eine Auswahl im Hinblick aufIn growth-limited Papaver somniferum L. cell cultures, this differentiation has been found to large cells that are polyploid and protrude from aggregates of undifferentiated smaller cells. The appearance of these cells coincides with the production of codeine in such cultures. The big cells are like it is believed to be the site of codeine fortification. A similarity between large cells and laticifers (size, polyploidy, The occurrence of multiple nucleation, pigmentation) is assumed. The initial selection of cell strains for Codeine education can therefore be a choice in terms of

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die Fähigkeit der Cytodifferenzierung, insbesondere im Hinblick auf die Bildung von großen Zellen, wie sie beschrieben worden sind, sein.the ability of cytodifferentiation, particularly with regard to the formation of large cells as described have been.

Alle Zellkulturen, die auf verpflanzte Gewebestücke (Impfmaterialien) von Papaver somniferum L. oder P. setigerum DC. zurückgehen, ausgewählt in einer solchen Weise, daß eine leichte Cytodifferenzierung bei der Induktion unter Einhaltung von Züchtungsbedingungen, wie sie beschrieben worden sind, möglich ist, können erfindungsgemäß eingesetzt werden.All cell cultures that were found on transplanted pieces of tissue (inoculation materials) of Papaver somniferum L. or P. setigerum DC. decrease selected in such a way that slight cytodifferentiation in the Induction under observance of cultivation conditions, as they have been described, is possible, can are used according to the invention.

Das biosynthetische Potential von Zellen, die in vitro gezüchtet worden sind, kann für die Synthese und Anreicherung von spezies-spezifischen Metaboliten verfügbar gemacht werden, die Produktionsrate sowie die Produktmenge hängen jßdoch wenigstens teilweise von dem Genotyp einer spezifischen Zellinie ab. Daher können durch die Auswahl der Cytodifferenzierung zur Gewinnung von vielen großen Zellen Zellinien mit überlegenen Qualitäten für eine Metaboliterzeugung erhalten werden. Ein einfacher Weg, den Genotyp von Pflanzenmaterial zu variieren, ist die Induktion von Mutationen in den Zellen und die Auswahl der mutanten Zelllinien im Hinblick auf ihre Fähigkeit, eine Cytodifferenzierung zu großen Zellen, begleitet von einer erhöhten Codeinsyntheserate und -anreicherung zu erfahren.The biosynthetic potential of cells grown in vitro can be used for synthesis and enrichment made available by species-specific metabolites However, the rate of production as well as the amount of product depend at least in part on the genotype of a specific Cell line. Therefore, by selecting the cytodifferentiation method, you will be able to obtain many large cells Cell lines with superior qualities for metabolite production can be obtained. An easy way to find the genotype of varying plant material is the induction of Mutations in the cells and the selection of the mutant cell lines with regard to their ability to undergo cytodifferentiation too large cells, accompanied by an increased rate of codeine synthesis and enrichment.

Der Teil der Opiummohnpflanze, aus welchem Expantate oder Ausgangszellen entnommen werden, kann variieren, d. h. man kann Zellen aus Sämlingen, Blütenteilen, Saatköpfen, Blättern, Stengeln, Wurzeln etc. entnehmen, um die Ausgangszellkultur zu starten. Vorzugsweise werden die Zellen aus den Sämlingen oder Blütenteilen einschließlich der Mikrosporen, entnommen.The part of the opium poppy plant from which expanses or parental cells are taken can vary; H. cells can be taken from seedlings, flower parts, seed heads, leaves, stems, roots, etc. to form the starting cell culture to start. Preferably, the cells from the seedlings or flower parts including the microspores, taken.

Sämlingszellen (Hypocotylexplantate) Saatkopfzellen oder andere Zelle werden besonders bevorzugt. Diese Zellen könnenSeedling cells (hypocotyl explants) seed head cells or other cells are particularly preferred. These cells can

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auf verschiedenen Pflanzenzellkulturnährmedien gehalten werden und dienen als Impfmaterial. Zur Erzeugung von Codein werden diese Zellen auf ein geeignetes Wachstumsmedium aufgeimpft, worauf man diese Zellen in Gegenwart von Licht sich vermehren läßt. Zur Entwicklung der cytodifferenzierten polyploiden Zellen, die erfindungsgemäß erforderlich sind, sollte man wenigstens ein Wachstumsnährmedium sich erschöpfen lassen, d. h., daß dieses Wachstum begrenzt wird. Unter diesen begrenzenden Bedingungen wurde gefunden, daß eine Cytodifferenzxerung erfolgt, die zu dem Auftreten von großen polyploiden Zellen führt. Diese polyploiden Zellen sind größer als die anfänglichen (nicht differenzierten) Zellen und treten am häufigsten auf der Oberfläche von Klumpen oder Agglomeraten der kleineren Zellen in daran gebundener Form auf.are kept on various plant cell culture media and serve as inoculum. To generate codeine these cells are inoculated on a suitable growth medium, whereupon these cells are in the presence of Light can be multiplied. To the development of the cytodifferentiated Polyploid cells, which are required according to the invention, should have at least one growth medium get exhausted, d. that is, this growth is limited. Under these limiting conditions was found that cytodifferentiation occurs which leads to the appearance of large polyploid cells. These polyploid cells are larger than the initial (undifferentiated) cells and occur most frequently on the Surface of clumps or agglomerates of the smaller cells in attached form.

Die Nährmedien, die für das Wachstum, die Cytodifferenzierung (und evtl. für die Codeinerzeugung) verwendet werden, können gegebenenfalls die gleichen sein, welche für die Ausgangskultur oder das Impfmaterial eingesetzt werden. Jedes gute Wachstumsmedium für Pflanzenzellenkulturen kann mit einem der Nährmittel verwendet werden, welches für das zu proportionierende Zellwachstum erforderlich ist, wobei es vor den anderen Nährmittel erschöpft wird und auf diese Weise bewirkt, daß das Medium wachstumsbegrenzend wird. Typische geeignete Wachstumsmedien gehen aus den Tabellen I und II hervor. Weitere Einzelheiten bezüglich derartiger geeigneter Medien sowie ihrer Herstellung findet man in dem Buch "Plant Tissue Culture Methods" von O. L. Gamborg und L. R. Wetter, 1975, veröffentlicht von National Research Council of Canada, Prairie Regional Laboratory, Saskatoon, Saskatchewan, Canada S7N OW9.The nutrient media necessary for growth, cytodifferentiation (and possibly for the codeine generation) can be the same as those used for the Starting culture or the inoculation material can be used. Any good growth medium for plant cell cultures can be used with any of the nutrients required for proportioning cell growth being depleted before the other nutrients, thus causing the medium to be growth limiting will. Typical suitable growth media are shown in Tables I and II. more details with regard to such suitable media and their production can be found in the book "Plant Tissue Culture Methods "by O. L. Gamborg and L. R. Wetter, 1975 published from National Research Council of Canada, Prairie Regional Laboratory, Saskatoon, Saskatchewan, Canada S7N OW9.

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- 10 ■■ Tabelle I - 10 ■■ Table I

Zusammensetzung von Mineralsalzmedien für PflanzengewebeComposition of mineral salt media for plant tissues

und Zellkultur MS ER B5and cell culture MS ER B5

Macro nährmittelMacro nutrients mg/S,mg / S, mMmM mg/i.mg / i. mMmM mg/£mg / £ -- NH4NO3 NH 4 NO 3 16501650 20.620.6 12001200 15.015.0 - - KNO3 KNO 3 19001900 18.818.8 19001900 18.818.8 25002500 2525th CaCl2'2H2OCaCl 2 '2H 2 O 440440 3.03.0 440440 3.03.0 150150 1.01.0 MgSO4·7H2OMgSO 4 • 7H 2 O 370370 1.51.5 370370 1.51.5 250250 1.01.0 KH2PO4 KH 2 PO 4 170170 1.251.25 340340 2.52.5 - - (NH4J2SO4 (NH 4 I 2 SO 4 - - - - 134134 1.01.0 NaH3PO4'H2ONaH 3 PO 4 'H 2 O - - - - 150150 1.11.1

Micronährmittel mg/AMicronutrients mg / A

mg/£mg / £

μΜμΜ

mg/Zmg / cell

KIAI

H3BO3 H 3 BO 3

MnSO4'4H2O MnSO- Ή~0MnSO 4 '4H 2 O MnSO- Ή ~ 0

ZnSO4'4H2O ZnSO4·7H2O Zn'Na2EDTA Na3MoO4'2H2O CuSO4'5H2O CoCl2'6H2O Na2'EDTA FeSO4·7H2OZnSO 4 '4H 2 O ZnSO 4 · 7H 2 O Zn'Na 2 EDTA Na 3 MoO 4 ' 2H 2 O CuSO 4 '5H 2 O CoCl 2 ' 6H 2 O Na 2 'EDTA FeSO 4 · 7H 2 O

RohrzuckerCane sugar

0.0. 8383 5.5. 00 00 - 1010 6.6th 22 100100 22 .63.63 1010 22.22nd 33 100100 .23.23

8.68.6

0.250.25

0.0250.025

0.0250.025

37.337.3

27.827.8

30000 5.730000 5.7

30 -30 -

- 15 1.0 0.025 0.1 . 0.0025 0.1 0.0025- 15 1.0 0.025 0.1. 0.0025 0.1 0.0025

100
100
100
100

37.3 27.837.3 27.8

37
0.1
0.01 0.01
37
0.1
0.01 0.01

100100

100100

40000 5.840000 5.8

0.75 3.00.75 3.0

10
2.0
10
2.0

0.250.25

0.0250.025

0.0250.025

37.337.3

27.827.8

20000 5.520000 5.5

4.5 504.5 50

60 7.060 7.0

1.0 0.1 0.11.0 0.1 0.1

100100

100100

Tabelle IITable II

Mengen und Arten von Vitaminen, Hormonen und Ergänzungsmitteln, die mit den Mineralsalzmedien für Agar- und Suspensionskulturen verwendet werdenAmounts and types of vitamins, hormones, and supplements to be used with the mineral salt media for agar and suspension cultures be used

MS ER B5MS ER B5

Verbindunglink mg/i,mg / i, mg/Amg / A mg/£mg / £ InositInositol 100100 100100 Nicotin säureNicotinic acid 0.50.5 0.50.5 1.01.0 Pyridoxin -HClPyridoxine -HCl 0.50.5 0.50.5 1.01.0 Thiamin -HClThiamine -HCl 0.10.1 0.50.5 10.010.0 GlycinGlycine 2.02.0 2.02.0 - IAAIAA 1-301-30 - - NAANAA - 1.01.0 - KinetinKinetin 0.04-100.04-10 0.020.02 0.10.1 2,4-D2,4-D - - 0.1-2.00.1-2.0

Vorzugsweise werden die Medien sowohl für die Ausgangskultur als auch die Impfmaterxa!zubereitung ausgewählt und optimiert, desgleichen für das Wachstum, die Cytodifferenzierung und evtl. für die Codeinerzeugung. Es wurde gefunden, daß es günstig ist, das Medium insbesondere für die Wachsturnsstufe mit einem Quellenmaterial für organischen Stickstoff zu verstärken, wie Caseinhydrolysat oder Kokusnußmilch , mit einem Cytokinin, wobei diese Materialien jeweils in einem Konzentrationsberexch von ungefähr 0,1 bis 5 ppm geeignet sind. Normalerweise enthält das Medium eine Kohlenstoffquelle, eine Stickstoffquelle , Quellen für Ca, Mg, P, S und K sowie Spurenelemente, Vitamine und Phytohormone. 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure ist das gewöhnlich zugesetzte Phytohormon, es kann jedoch auch durch 1-Naphthalinessigsäure oder 3-Indolessigsäure, gewöhnlich in Mengen von ungefähr 0,1 bis 2 mg/1 ersetzt sein.The media are preferably selected for both the starting culture and the preparation of the vaccine material optimized, also for growth, cytodifferentiation and possibly for codeine production. It was found, that it is favorable, the medium especially for the growth stage with a source material for organic Nitrogen fortify, like casein hydrolyzate or coconut milk, with a cytokinin, these materials being each in a concentration range of about 0.1 to 5 ppm are suitable. Usually contains the medium a carbon source, a nitrogen source, sources for Ca, Mg, P, S and K as well as trace elements, vitamins and phytohormones. 2,4-dichlorophenoxyacetic acid is common added phytohormone, but it can also be caused by 1-naphthalene acetic acid or 3-indole acetic acid, usually be replaced in amounts of about 0.1 to 2 mg / l.

Die Zellen lassen sich leicht durch Übertragen auf frisches Medium oder durch Auffrischen des Mediums in Intervallen von ungefähr 1 bis 4 Wochen halten. Diese wachsendenThe cells can be easily removed by transferring them to fresh Hold medium or by refreshing the medium at approximately 1 to 4 week intervals. This growing

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Zellen liefern das erforderliche Impfmaterial oder bewirken, falls sie in einem Medium gelassen werden, das wachstumsbegrenzend wird und nach dem Aufhören des Wachstums einer Cytodifferenzierung unterliegt, eine Anreicherung von Codein, das dann gewonnen werden kann. Die herkömmlichen Temperaturen für die Pflanzenzellenkulturen betragen in zweckmäßiger Weise beispielsweise ungefähr 20 bis 400C für die Impfmaterialzubereitung, das Wachstum und die Codeinanreicherung. Der Zeitpunkt von der Beimpfung bis zur Erreichung des wachstumsbegrenzenden Zustandes beträgt gewöhnlich ungefähr 1 bis 3 Wochen in Abhängigkeit von der Impfmaterialgröße, dem Medium sowie den Wachstumsbedingungen .Cells provide the necessary inoculum or, if left in a medium which becomes growth-limiting and undergoes cytodifferentiation after growth has ceased, accumulate codeine which can then be recovered. The conventional temperatures for the plant cell cultures be conveniently, for example, approximately from 20 to 40 0 C for Impfmaterialzubereitung, the growth and Codeinanreicherung. The time from inoculation to the attainment of the growth-limiting state is usually about 1 to 3 weeks, depending on the size of the inoculum, the medium and the growth conditions.

Der wachstumsbegrenzende Zustand in diesem Medium führt zu der Entwicklung von cytodifferenzierten polyploiden Zellen, die in der Zeichnung mit A gekennzeichnet werden. Diese polyploiden Zellen sind gewöhnlich um das 5- bis 10-fache oder noch ein Höherfaches größer als die nichtdifferenzierten Zellen und besitzen durchschnittliche Durchmesser von wenigstens ungefähr 100 Mikron. Längliche große Zellen wurden beobachtet, deren Größe in der Längsrichtung bis zu ungefähr 1000 Mikron oder darüber betrugen. Die nicht-differenzierten Zellen sind im Gegensatz . zu diesen polyploiden cytodifferenzierten Zellen diploid. Wiederholte mikroskopische Untersuchungen haben gezeigt, daß die"großen polyploiden Zellen häufig sich um Klumpen oder Aggregate der nicht-differenzierten Zellen herum anlagern, wie beispielsweise aus der Zeichnung anhand der Bezugszeichen A und B ersichtlich ist. Da diese polyploiden Zellen immer beobachtet wurden, wenn eine Codeinerzeugung erzielt wurde, nimmt man an, daß sie mit der Codeinsynthese zusammenfallen und für diese notwendig sind. Wenigstens ungefähr 10 % der gesamten Zellen sollten für eine Codeinanreicherung diesem polyploiden Typ entsprechen.The growth-limiting condition in this medium leads to the development of cytodifferentiated polyploids Cells marked with A in the drawing. These polyploid cells are usually around 5 to 10 times or more times larger than the undifferentiated cells and have average At least about 100 microns in diameter. Elongated large cells were observed, their size in the longitudinal direction were up to about 1000 microns or more. The undifferentiated cells are in contrast. diploid to these polyploid cytodifferentiated cells. Repeated microscopic examinations have shown that the "large polyploid cells often accumulate around clumps or aggregates of the undifferentiated cells, as can be seen, for example, from the drawing using the reference characters A and B. Since these polyploid Cells were always observed when codeine production was achieved, it is believed that they were related to codeine synthesis coincide and are necessary for this. At least about 10% of the total cells should be eligible for codeine fortification correspond to this polyploid type.

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Man läßt die Anreicherung von Codein unter der Einwirkung von Licht in der wachstumsbegrenzten Kultur ablaufen. Gewöhnlich dauert diese Codeinanreicherung ungefähr 15 bis ungefähr 30 Tage, bevor die Produktionsraten absinken, dies hängt jedoch von vielen Faktoren ab. Das Codein wird dann gewonnen, beispielsweise durch Extraktion mit einem geeigneten organischen Lösungsmittel, wobei anschließend gegebenenfalls eine Isolation aus dem Extrakt durchgeführt wird. Geeignete organische Lösungsmittel sind Äthylacetat, Chloroform, Methanol, Äthanol und Isopropanol. In bekannter Weise sind Chromatographiemethoden sehr geeignet für die Isolation des Codeins aus dem extrahierten Material.The accumulation of codeine is allowed to proceed under the action of light in the growth-limited culture. Usually This codeine fortification takes about 15 to about 30 days before production rates drop, but this depends on many factors. The codeine will then obtained, for example by extraction with a suitable organic solvent, with subsequently optionally an isolation from the extract is carried out. Suitable organic solvents are ethyl acetate, Chloroform, methanol, ethanol and isopropanol. In a known manner, chromatography methods are very suitable for the isolation of the codeine from the extracted material.

Beispielexample Herstellung einer ZellkulturProduction of a cell culture

Papaver somniferum L. cv. Marianne-Saatgut wird oberflächlich sterilisiert und auf einem befeuchteten Filterpapier in Schalen gekeimt. Hypocotyle von 5 bis 6 Tage alten Sämlingen werden auf das Nährmedium B5 (vgl. die Tabellen I und II) explantiert, das 1 mg/1 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure enthält und mit 0,6 % Agar verfestigt worden ist. Das Medium besitzt einen pH von 5,5 vor der Sterilisation durch Autoklavenbehandlung. Innerhalb von 6 Wochen erzeugen die explantierten Hypocotyle Kallus (neoplastisches Wachstum) mit einem Durchmesser von 3 bis 10 mm. Der Kallus wird auf frisches B5-Medium übertragen, das mit 1 g/l Caseinhydrolysat und 2 mg/1 Kinetin (1-B5C-Medium) ergänzt worden ist. Das Kallusmaterial wird alle 4 Wochen unter Einsatz kleiner Kallusstücke als Impfmaterial in einer Nebenku^tur gezüchtet. 6 Monate nach dem Züchten in der Nebenkultur wird das Kallusmaterial auf flüssiges 1BSC-Medium übertragen und von hieran in Form von 50 ml-Chargen in 250 ml Delong-Kolben auf Gefriertrocknungsschüttelvorrichtungen (150 üpm) in Nebenkulturen gezüchtet. Die erhaltene Zellsuspension und die Zellaggregate werden in wöchentlichen Intervallen auf frisches 1B5C-Medium übertragen.Papaver somniferum L. cv. Marianne seeds are superficially sterilized and placed on a moistened filter paper sprouted in bowls. Hypocotyls from 5 to 6 day old seedlings are grown on nutrient medium B5 (cf. Tables I. and II) explanted, which contains 1 mg / 1 2,4-dichlorophenoxyacetic acid and has been solidified with 0.6% agar. The medium has a pH of 5.5 before sterilization by autoclaving. Generate within 6 weeks the explanted hypocotyl callus (neoplastic growth) with a diameter of 3 to 10 mm. The callus is transferred to fresh B5 medium supplemented with 1 g / l casein hydrolyzate and 2 mg / l kinetin (1-B5C medium) has been. The callus material is every 4 weeks using small pieces of callus as inoculation material in a Subculture bred. 6 months after growing in the subculture, the callus material is transferred to liquid 1BSC medium and from there in the form of 50 ml batches in 250 ml Delong flasks on freeze-drying shakers (150 opm) grown in minor crops. The cell suspension obtained and the cell aggregates are in weekly Transfer intervals to fresh 1B5C medium.

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Alle diese Kulturen läßt man kontinuierlich unter Licht mit einer Stärke von 800 bis 1000 Lux bei 25 bis 28°C wachsen. Für die Erzeugung von Biomasse und für die Cytodifferenzierung der Kultur, die zu der Bildung von Codein führt, wird Impfmaterial aus diesen Suspensionskulturen (auf sterilen Filtern) gesammelt. Ungefähr 2 g der Zellenmasse wird mit ungefähr 300 ml des 1B5C-Mediums in 1 1-Kesseln bebrütet.All of these cultures are allowed to grow continuously under light with an intensity of 800 to 1000 lux at 25 to 28 ° C. For the production of biomass and for the cytodifferentiation of the culture, which leads to the formation of codeine, inoculum is collected from these suspension cultures (on sterile filters). Approximately 2 g of the cell mass is incubated with approximately 300 ml of the 1B5C medium in 1 liter kettles.

Die 50 ml Chargen-Kulturen, die in wöchentlichen Intervallen übertragen werden, bestehen hauptsächlich aus kleinen Zellaggregaten mit einem Durchmesser von bis zu ungefähr 1 mm. Diese Aggregate enthalten gelegentlich weniger als 5 % Zellen mit einer großen Größe (durchschnittlicher Durchmesser >100 Mikron) mit einem oder mehreren polyploiden Nuklei (diese Zellen sind nicht wachstumsbegrenzt und sind nicht in der Lage, Codein zu erzeugen). Diese Aggregate schwanken in ihrer Pigmentierung von dunkelbraun bis weiß. Werden diese Kulturen (oder die 300 ml Produktionskulturen) vollständig wachstumsbegrenzt, dann tritt eine Cytodifferenzierung auf, die zu dem Auftreten von großen Zellen in steigender Anzahl führt. Ungefähr 10 bis ungefähr 50 % oder mehr Zellen können diesem großen Typ entsprechen.The 50 ml batch cultures, which are transferred at weekly intervals, consist mainly of small aggregates of cells, up to approximately 1 mm in diameter. These aggregates occasionally contain less than 5% cells of a large size (average diameter > 100 microns) with one or more polyploid nuclei (these cells are not growth limited and are unable to produce codeine). These aggregates vary in their pigmentation from dark brown to white. If these cultures (or the 300 ml production cultures) are completely growth-limited, then cytodifferentiation occurs, which leads to the appearance of large cells in increasing numbers. About 10 to about 50% or more cells can be of this large type.

Eine typische Zellenanordnung aus einer der wachstumsbegrenzten differenzierten 300 ml-Kulturen geht aus der Zeichnung hervor, wobei A die großen Zellen und B die kleinen Zellen wiedergeben. Diese Zeichnung basiert auf verschiedenen Mikrophotographien.A typical cell arrangement from one of the growth-limited differentiated 300 ml cultures is shown in the drawing, with A representing the large cells and B representing the small cells. This drawing is based on various photomicrographs.

Nach der Bebrütung und der Anreicherung von Codein in dem 1-BSC-Medium während einer Zeitspanne von 3 Wochen wird das Medium (300 ral) mit Äthylacetat (2 χ 50 ml) extrahiert, wäh rend die Zellen mit siedendem Methanol (150 ml) behandelt werden. Sowohl der Methanol- als auch der Äthylacetatextrakt werden vereinigt und eingedampft. Dabei wird ein gelbliches bis leicht braunes Material erhalten, das erneut After the incubation and the enrichment of codeine in the 1-BSC medium over a period of 3 weeks, the medium (300 ral) is extracted with ethyl acetate (2 × 50 ml), while the cells are treated with boiling methanol (150 ml) will. Both the methanol and the ethyl acetate extract are combined and evaporated. A yellowish to slightly brown material is obtained, which again

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in Äthylacetat/1n HCl {1:1) (2 χ 50 ml) aufgelöst wird. Die zwei Schichten werden getrennt gesammelt. Die Äthylacetatlösung wird mit 1n HCl (10 ml) gewascheni Die Waschlösungen werden gesammelt und mit der zuvor erhaltenen sauren Schicht vereinigt. Die saure Lösung wird mit Natriumbicarbonat zur Einstellung eines pH von 7,5 bis 8,0 behandelt und filtriert. Nach der Filtration wird das Filtrat mit Äthylacetat (2 χ 25 ml) extrahiert. Diese Extrakte werden mit dem zuvor erhaltenen Äthylacetatextrakt vereinigt. Die Eindampfung ergibt ein gelblich braunes Material (98 mg), das durch TLC auf Silikagelplatten (0,25 mm) unter Einsatz von ÄtoAc:MeOH:NH4OH (85:10:5) zur Entwicklung und CHCl3:MeOH (8:2) als Eluiermittel gereinigt wird. Dabei wird Codein mit einer guten Reinheit (1,2 mg) mit dem gleichen Rp-Wert (0,22) wie authentisches Codein erhalten, das gleichzeitig durch Dünnschichtchromatographie (TLC) in der vorstehend beschriebenen Weise chromatographiert worden ist (F 146 bis 148°C, nicht korrigiert, Literatur: 154 - 155°C). Die Ausbeute beträgt ungefähr 0,15 %, bezogen auf das Gewicht der trockenen Zellen (722,2 mg). Die massenspektrometrischen Werte dienen ebenfalls zur Identifizierung des Codeinproduktes. Das Massenspektrum zeigt ein molekulares Ion bei m/e 299 entsprechend C1OH2-NO3, der Molekülformel für Codein, und ist identisch mit demjenigen einer authentischen Codeinprobe.in ethyl acetate / 1N HCl {1: 1) (2 50 ml) is dissolved. The two layers are collected separately. The ethyl acetate solution is washed with 1N HCl (10 ml). The wash solutions are collected and combined with the acidic layer obtained previously. The acidic solution is treated with sodium bicarbonate to adjust the pH to 7.5 to 8.0 and filtered. After filtration, the filtrate is extracted with ethyl acetate (2 × 25 ml). These extracts are combined with the ethyl acetate extract obtained previously. Evaporation gives a yellowish brown material (98 mg) which can be determined by TLC on silica gel plates (0.25 mm) using EtoAc: MeOH: NH 4 OH (85: 10: 5) for development and CHCl 3 : MeOH (8: 2) is purified as an eluent. This gives codeine of good purity (1.2 mg) with the same Rp value (0.22) as authentic codeine which has been simultaneously chromatographed by thin layer chromatography (TLC) in the manner described above (F 146 ° to 148 ° C, not corrected, literature: 154 - 155 ° C). The yield is approximately 0.15% based on the weight of the dry cells (722.2 mg). The mass spectrometric values are also used to identify the codeine product. The mass spectrum shows a molecular ion at m / e 299 corresponding to C 1 OH 2 -NO 3 , the molecular formula for codeine, and is identical to that of an authentic codeine sample.

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Claims (13)

MÜLLKR-HOIiE - DiJUFBL · SCHÖN · HKItTKL DR. WOLFGANG MU LLER-BORE (PATENTANWALT VON 1S27-I975) DR. PAUL DEUFEL. DIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN, D1PL.-CHEM. WERNER HERTEL, DIPL.-PHYS. ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE MXNDATAIRES AGR££s PRES L1OFFICE EUROPEEN DES BREVETS C 3060 2 7. Feb. 1980 Canadian Patents and Development Limited, 275 Slater Street, Ottawa, Ontario, Kanada Verfahren zur Herstellung von Codein aus Pflanzenzellenkulturen PatentansprücheMÜLLKR-HOIiE - DiJUFBL · SCHÖN · HKItTKL DR. WOLFGANG MU LLER-BORE (PATENT ADVOCATE FROM 1S27-I975) DR. PAUL DEUFEL. DIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN, D1PL.-CHEM. WERNER HERTEL, DIPL.-PHYS. APPROVED REPRESENTATIVES TO THE EUROPEAN PATENT OFFICE REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE MXNDATAIRES AGR ££ s PRES L1OFFICE EUROPEEN DES BREVETS C 3060 2 Feb. 7, 1980 Canadian Patents and Development Limited, 275 Slater Street, Ottawa, Ontario, Canada Codeine production process Plant cell cultures claims 1. Verfahren zur Herstellung von Codein aus Pflanzenzellenkulturen, dadurch gekennzeichnet, daß (a) ein Zellimpfmaterial aus Varietäten von Papaver somniferum L. oder Papaver setigerum DC. hergestellt wird, wobei die Varietäten derartig ausgewählt werden, daß sie beim Zellenzüchten in einem geeigneten Pflanzenzellenkulturnährmedium, das bezüglich seines Wachstums begrenzt wird, cytodifferenzierte polyploide Zellen bilden, die Codein zu erzeugen in der Lage sind, wobei die cytodifferenzierten Zellen größer sind als die nicht-differenzierten Zellen,1. Process for the production of codeine from plant cell cultures, characterized in that (a) a cell inoculum from varieties of Papaver somniferum L. or Papaver setigerum DC. manufactured , the varieties being selected such that they are used in cell growth in one suitable plant cell culture medium, which is limited in terms of its growth, cytodifferentiated polyploid cells are able to produce codeine, whereby the cytodifferentiated cells are larger than the undifferentiated cells, 030047/0602030047/0602 S MÜNCHEN SO-SlKnEIiTSTR. *-POSTFACH K607B0 · KABEL: MÜEBOPAT · TEL·. (OSfI) 474005 · TELKX 3-S4S MUNICH SO-SlKnEIiTSTR. * -POST BOX K607B0 · CABLE: MÜEBOPAT · TEL ·. (OSfI) 474005 • TELKX 3-S4 (b) ein geeignetes Nährmedium für Pflanzenzellenkulturen mit den Impfmaterialzellen beimpft wird, worauf man diese Zellen sich vervielfachen läßt, bis wenigstens eine wesentliche Nährkomponente wachstumsbegrenzt wird,(b) a suitable nutrient medium for plant cell cultures is inoculated with the inoculum cells, whereupon these cells can be multiplied until at least an essential nutrient component is limited in growth, (c) man diese wachstumsbegrenzte Kultur einer Cytodifferenzierung unter Bildung der polyploiden Zellen überläßt, (c) this growth-limited culture is left to cytodifferentiate to form the polyploid cells, (d) Codein in der cytodifferenzierten Zellen enthaltenden Kultur anreichert und(d) Codeine contained in the cytodifferentiated cells Culture enriches and (e) Codein aus der erhaltenen Kultur gewinnt.(e) recovering codeine from the culture obtained. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Nährmedium den in den Tabellen I und II beschriebenen Typen MS, ER oder B5 entspricht.2. The method according to claim 1, characterized in that the nutrient medium used in Tables I and II corresponds to the types MS, ER or B5 described. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Medium eine zugesetzte Nährmittelquelle aus organischem Stickstoff für die Vermehrungsstufe enthält. 3. The method according to claim 2, characterized in that the medium used is an added nutrient source of organic nitrogen for the propagation stage. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stickstoffnährmaterial wachstumsbegrenzend wird.4. The method according to claim 1, characterized in that the nitrogen nutrient is growth-limiting. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Varietät ein ausgewähltes Papaver somniferuiu L. ist.5. The method according to claim 1, characterized in that the variety is a selected Papaver somniferuiu L. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die großen cytodifferenziertep Zellen wenigstens ungefähr 10 % der gesamten Zellpopulation ausmachen„6. The method according to claim 1, characterized in that the large cytodifferentiated cells at least approximately Make up 10% of the total cell population " 7= Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet B daß die cytodifferensierten Zellen einen dürenschnittlichen Durchmesser von wenigstens ungefähr 100 Mikron besitzen.= 7 The method of claim 6, characterized in that the B cells have a cytodifferensierten düren-average diameter of at least about 100 microns. 030047/0602030047/0602 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Impfmaterial auf ein Sämlingsgewebe zurückgeht.8. The method according to claim 1, characterized in that the inoculation material used is applied to a seedling tissue going back. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Impfmaterial auf Blumenteile oder Pollen zurückgeht.9. The method according to claim 1, characterized in that the inoculum used on flower parts or pollen going back. 10. Pflanzenzellenkultur aus Papaver somniferum L. oder Papaver setigerum DC., dadurch gekennzeichnet, daß die Kultur durch Erschöpfen des Wachstumsnährmaterials wachstumsbegrenzt ist und wenigstens 10 % der Zellen untier Bildung großer polyploider Zellen cytodifferenziert sind.10. Plant cell culture from Papaver somniferum L. or Papaver setigerum DC., Characterized in that the culture limits growth by exhausting the growth nutrient material and at least 10% of the cells cytodifferentiate to form large polyploid cells are. 11. Kultur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ungefähr 10 bis ungefähr 50 % oder mehr der gesamten Zellen große polyploide Zellen sind.11. The culture of claim 10, characterized in that about 10 to about 50% or more of the total Cells are large polyploid cells. 12. Gezüchtete cytodifferenzierte Pflanzenzellen, die auf Papaver somniferum L. oder Papaver setigerum DC. zurückgehen und wachstumsbegrenzte polyploide Zellen sind, die Codein zu erzeugen vermögen.12. Cultured cytodifferentiated plant cells that are based on Papaver somniferum L. or Papaver setigerum DC. declining and growth-limited polyploid cells are capable of producing codeine. 13. Zellen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie um das ungefähr 5- bis 10-fache oder um ein Mehrfaches größer sind als die nicht-differenzierten Elternzellen. 13. Cells according to claim 12, characterized in that they are about 5 to 10 times or several times larger than the undifferentiated parent cells. 030047/0602030047/0602
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