BIOTECNOLOGÍA VEGETAL EN LA PRODUCCIÓN INDUSTRIAL Y LA OBTENCIÓN DE METABOLITOS SECUNDARIOS David Illán Rodríguez Álvarez Seminario Biotecnología Vegetal.

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1 BIOTECNOLOGÍA VEGETAL EN LA PRODUCCIÓN INDUSTRIAL Y LA OBTENCIÓN DE METABOLITOS SECUNDARIOS David Illán Rodríguez Álvarez Seminario Biotecnología Vegetal 15/12/11

2 Contenidos 1-Introducción 2-Potencial económico de los metabolitos secundarios. 3-Estrategias para aumentar la producción de M. secundarios. 4-Ing. Metabólica y biotransformación. 5. Aplicaciones Biotecnología Vegetal. 6. Perspectivas y referencias.

3 Introducción La biotecnología vegetal es cualquier técnica que use a los organismos vivos o parte de organismos para elaborar o modificar productos, para mejorar plantas o para desarrollar microorganismos con fines específicos

4 Cultivo de células y órganos vegetales en biorreactores Los callos obtenidos a partir de un explanto pueden disgregarse para obtener una suspensión celular. Esta suspensión celular se utiliza para obtener embriones somáticos o puede cultivarse para obtener metabolitos secundarios. Utilidad de los metabolitos: industria farmacéutica y alimentaria. Ejemplos de metabolitos Secundarios: mentol y las drogas anticancerígenas, como los taxoles y algunos edulcorantes. Los cultivos celulares se llevan a cabo en biorreactores.

5 Cultivo de células y órganos vegetales

6 Producción de metabolitos secundarios en biorreactores El principio básico de los biorreactores es la inmersión periódica de los explantes en el medio de cultivo, lo que permite mantener el intercambio gaseoso dentro del recipiente.

7 2. Potencial económico M. secundarios Cultivo de tejidos y metabolitos secundarios Metabolismo secundario regula muchas de las interacción planta-ambiente. Producción de M. secundarios está relacionado con el proceso de desarrollo de la planta.  No asociada al crecimiento.  Sometida a control hormonal.  Paralela al desarrollo de tejido especializados y órgano (raíces, tallos, hojas etc).  Biosíntesis y acumulación está compartimentalizada a nivel celular, intracelularmente, tejido y de órganos. Metabolitos secundarios se producen ante situaciones de estrés o enfermedad.  Factores bióticos  Factores abióticos

8 2.1 Las plantas como fuente de metabolitos secundarios de interés comercial Las plantas son una fuente de producción de M. secundarios de interés comercial como insecticidas, saborizantes, colorantes, enzimas, fragancias, compuestos antimicrobianos, medicinas, herbicidas, proteasas etc.

9 2.2 Grupo de Metabolitos secundarios. 1.Terpenoides Los terpenoides están distribuidos ampliamente en las plantas y muchos de ellos tienen funciones fisiológicas primarias. En plantas se conocen unos 25000 terpenoides. Derivados del IPP Taxol

10 2.Compuestos nitrogenados o alcaloides Se han caracterizado 12000 alcaloides en plantas Cocaína Cafeína Quinina Atropina

11 3. Compuestos fenólicos derivados de fenilpropanoides Unos 8000 fenólicos se forman en las plantas a partir de las rutas de los ácidos shikimico y/o del malonato/acetato

12 Producción de M. secundarios por cultivo in vitro de células y órganos vegetales ¿Por qué?  Independizarse de factores externo como: Cambios de T, sequías, plagas, variabilidad de la producción, etc.  Evitar la extinción de especies vegetales.  Disposición de condiciones controladas para los procesos de extracción y biosíntesis.  Aumentar la variabilidad en la producción de compuestos con 1 o más C quirales. (más económico).  Obtención de compuestos no presentes en la planta a madre.  Establecimiento de procesos de biotransformación llevados a cabo por enzimas vegetales.

13 Viabilidad de un proceso para su progreso a nivel industrial Condiciones económicas. -Compuestos de alto precio. -Alto rendimiento y productividad del cultivo comparado con la planta entera. -Buen crecimiento en biorreactores. -Crecimiento lento de la planta completa como fuente alternativa. Parámetros principales. -Productividad: gramos de producto/Litro/día. -Concentración máxima del producto: gramos de producto/L. -Rendimiento: gramos de producto/gramos de sustrato.

14 3. Estrategias para aumentar la producción de metabolitos secundarios  Cuantificación y cinética de un proceso. Esquema del patrón de crecimiento de una suspensión celular vegetal

15 3.1 Metodologías para optimizar la producción de metabolitos secundarios Selección de especies vegetales apropiadas. S. de líneas celulares mejoradas Optimización de las condiciones de cultivo. Agregado de precursores Suspensiones, órganos y Cel. inmovilizadas Uso de elicitores microbianos y de estreses abióticos Permeabilidad y remoción in situ

16 3.2 Metodologías para optimizar la producción de metabolitos secundarios Selección de líneas sobreproductoras. Esto se ve favorecido cuando el metabolito de interés es un pigmento. ELISA. Optimización del medio de cultivo. -Fuente de C, N, P -Fuente de hormonas (auxinas, citoquininas, giberelinas). -Relación C/N. Agregado de precursores. -Bajo coste -Baja toxicidad -No muy alejado del producto final en la ruta metabólica.

17 3.3 Secuencia de optimización de un proceso para la producción de M. secundarios 1.Selección de la planta por su contenido de metabolitos secundarios para iniciar el Cultivo in vitro 2.Establecimiento de cultivos in vitro 2.Estabilización y aislamiento de cultivos in vitro: V de crecimiento, niveles de producto, liberación al medio. 4.Optimización de medio de cultivo para la producción. Nutrientes, precursores, elicitación, liberación y remoción in situ. 5.Optimización en biorreactores: Mejora. Sistema de cultivo: batch, continuo, feed-batch, perfusión, en 2 ETAPAS: -Extracción del producto -Purificación del producto.

18 4.Ingienería Metabólica y biotransformación. Estrategias para modificar el M. secundario por manipulación genética  Completar rutas metabólicas mediante inserción de genes heterólogos.  Amplificar rutas normales  Bloquear rutas alternativas  Modificación de la regulación de las rutas normales.  Modificación de los mecanismos de secreción y exportación  Bloqueo de rutas de degradación.

19 4.1. Problemas de la Ingeniería metabólica  Clonación de genes  Estabilidad de líneas transgénicas  Compartimentalización de productos  Transporte y acumulación de productos  Limitaciones y arquitectura de la ruta metabólica  Canales metabólicos ( Limitación del flujo metabólico por la Capacidad de las enzimas implicadas).

20 4.2. Biotransformación La Biotransformación es la conversión de un sustrato (natural o sintético) por medio de un catalizador (enzima, células inmovilizadas, tejido u órgano) en un producto complejo. Involucra varios procesos enzimáticos. Requerimientos: -Enzimas específicos en las células y cofactores. -Velocidad de formación de producto debe de ser mayor que su metabolización. -El cultivo debe de tolerar el precursor y al producto. -El precursor debe ingresar en la célula y el producto (M. secundario) debe de ser secretado. -El precursor tiene un valor menor al del producto.

21 5. Aplicaciones de la Biotecnología Vegetal  Agricultura. Domesticación de plantas. Semillas resistentes a herbicidas. Obtención de nuevas variedades. Plantas tolerantes a determinados alimentos o sustancias tóxicas. Establecimiento de Simbiosis de tipo micorrizas (hongo- Planta) para la fijación del N 2 atm por la planta. Plantas resistentes a agentes biológicos (virus, bacterias, hongos, insectos).  Alimentación. Eliminación de agentes que afecten a las cosechas. Costes menores que la producción. Aumento tamaño sumideros (aumenta relación Alimento/hectárea). Mejor calidad de los alimentos.

22 5. Aplicaciones de la Biotecnología Vegetal  Mejoras relacionadas con: Proteínas, Grasas (oleico), Glúcidos (alfalfa), carotenoides (arroz), minerales, etc.  Frutos y semillas. Frutos que duren más tiempo (tomates-peptidasas). Flores que duren más tiempo (receptor de etileno). Frutos sin semillas (auxinas).  Industriales. Grasas/aceites utilizados como (bio)combustibles (Biodiesel) o lubricantes. Plantas de algodón transgénica (algodón de colores), detergentes. Aditivos, colorantes, espesantes. Obtención de plásticos biodegradables.  Sanidad. Medicinas, vacunas orales. Remediación a las caries etc.  Medio Ambiente. Fitoremediación, fitoextracción, fitodegradación, rizodegradación, fitoestabilización etc.

23 6. Perspectivas Aspectos técnicos a resolver Aspectos biológicos a resolver

24 Referencias Scientia et Technica Año XV, No 42, Agosto de 2009. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701 257 Fecha de Recepción: 8 de junio de 2009 Fecha de Aceptación: 17 de Agosto de 2009 ELICITACIÓN DE RAÍCES CULTIVADAS IN VITRO DE Brugmansia candida (SOLANACEAE) CON L-ARGININA, PRECURSOR DE ALCALOIDES DEL TROPANO ELICITATION OF IN VITRO CULTIVATED ROOTS OF Brugmansia candida (SOLANACEAE) WITH LARGININE, PRECURSOR OF TROPANE ALKALOIDS ESTRATEGIAS PARA INCREMENTAR LA PRODUCCIÓN DE METABOLITOS SECUNDARIOS EN CULTIVOS DE CÉLULAS VEGETALES STRATEGIES FOR THE IMPROVEMENT OF SECONDARY METABOLITES PRODUCTION IN PLAN CELL CULTURES Mario Arias Zabala1; Mónica Juliana Angarita Velásquez2; Ana Maria Aguirre Cardona3; Juan Manuel Restrepo Flórez4 y Carolina Montoya Vallejo5 Concepto y Técnicas en Biotecnología Alejandro Mentaberry Departamento de Fisiología, Biología Celular y Molecular FCEN-UBA

25 Gracias por vuestra atención