LA AGREGACIÓN CELULAR EN LA PRODUCCIÓN DE METABOLITOS

SECUNDARIOS EN CULTIVOSVEGETALES IN VITRO

Jesús Augusto RiveraHéctor Andrés MuñozFabio José Salazar

fármacos, pesticidas, colorantes,

saborizantes ,fragancias, etc.

Su acumulación en las plantas es baja y lenta, ya que está regulada espacial y temporalmente.

METABOLITOS SECUNDARIOSPlantas silvestres o cultivadas

En el caso de plantas silvestres, su explotación comercial está basada en la recolección de material en su hábitat natural, frecuentemente incluyendo la raíz.

Taxol®

vinblastina

1kg de Taxol, 1000 árboles de Taxus brevifolia L

1g de vinblastina, media tonelada de hojas

Catharanthus roseus

Catharanthus roseus Taxus brevifolia L

BiotecnológicaMetabolitos SecundariosPRODUCCION

40 AÑOS INVESTIGACIÓN DESARROLLO TECNOLÓGICO

Producción SHICONINA

células de Lithospermum erythrorhizon

TAXOL Taxus spp.

EXITOS

TOTIPOTENCIA CELULAR

Obtener cultivosde células no Diferenciadas, como callos y Suspensiones Selulares,y además órganos como brotes y

raíces.

Células nodiferenciadas

Células diferenciadas

Mayores velocidades de

crecimiento

Órganos (raíces y brotes)

Ventajas para el desarrollo, control y manipulación de procesos a

escala industrial.

DIFERENCIACION

1)el desarrollo de organelos como los plástidos (cloroplastos) o vacuolas.

2) la formación de pared celular secundaria.

3) la organización de las células para constituir los diferentes tejidos y órganos de la planta.

4) la especialización para la biosíntesis y/o

acumulación de metabolitos.

La producción y acumulación de metabolitos secundarios es una expresión de un estado particular de diferenciación celular, el cual es influenciado por un número de factores

Diferentes clases de metabolitos secundarios

Diferentes grados de

diferenciación celular

Alternativa suspensión celular

Sistemas invitro diferenciados(brotes y raíces)

Selección de lineas celulares con agregados de mayor tamaño y agregados especializados

Diferenciación Celular y Biosíntesis de Metabolitos Secundarios:Los Alcaloides Indólicos

Para ver la estrecha relación entre la biosíntesis de un metabolito secundario y la diferenciación celular en las plantas, se presenta el caso de los alcaloides indólicos

Estos compuestos se encuentran principalmente en plantas de las familias Apocinaceae, Loganiaceae, Rubiaceae y Nissaceae

se caracterizan por la presencia de los núcleos indólico e iridoide, los cuales provienen de la triptamina y la secologanina

La biosíntesis de los alcaloides indólicos es sumamente compleja y todavía no se conocen todas las enzimas involucradas, ni los mecanismos que regulan su biosíntesis

Enzimas involucradas en la biosíntesis

La distribución celular de algunas de las enzimas involucradas en la biosíntesis de los alcaloides indólicos ha sido estudiada en plantas de C. roseus

• triptófano descarboxilasa (TDC)

• estrictosdina sintasa (STR)

se localizan en las células epidérmicas de tallos, hojas y botones florales, y en el protodermo y células corticales que rodean el meristemo apical de la punta de las raíce

• desacetoxivindolina-4-hidroxilasa (D4H).• acetilvindolina 4-O-acetiltransferasa (DAT).están restringidas a células especializadas conocidas como laticíferas e idioblastos de hojas, tallos y botones florales

Catharanthus roseus

Catharanthus roseus (Vinca de Madagascar) es una especie de catharantus nativa y endemicade de Madagascar.

• Zonas tardías de la biosíntesis de vindolina• Lo anterior muestra en su conjunto que la biosíntesis requiere células de diferentes tipos y con determinadas características

•al interior de la célula también existe una compartamentalización de la ruta de biosíntesis• La triptamina, el precursor indólico, es sintetizada en el citosol• su condensación con la secologanina, el precursor iridoide, tiene lugar en la vacuola

La Agregación Celular como Alternativa para la Acumulación de Metabolitos Secundarios en

Cultivos In Vitro

Las suspensiones vegetales estánformadas por célulasmeristemáticas, es decir células nodiferenciadas, que no se separandespués de la división y formanagregados multicelulares de diferentetamaño y forma

a) Agregados de Uncaria tomentosab) suspensión celular con

agregados de distinto tamañoc) agregado no-morfogénico.d) agregado morfogénico

La tendencia natural a agregarse está

regulada por la cohesividad de la pared

celular y permite la comunicación célula-célula

Las suspensiones celulares son un sistema in vitro utilizado ampliamente en investigación por ser el más práctico para el cultivo a gran escala y presenta múltiples ventajas para el control

Para lograr las mejores condiciones de transferencia de masa se prefieren las suspensiones celulares formadas por células individuales o agregados “pequeños

Las células que conforman una suspensión “fina” son relativamente similares y resulta difícil que en cada una de ellas se lleven a cabo todos los procesos síntesis de intermediarios, condensación, transporte y acumulación

La influencia de la agregación y el tamaño de los agregados celulares en la acumulación de metabolitos secundarios se han estudiado en varias especies, tanto en matraz como en biorreactor

Estos agregados se caracterizan por medir varios milímetros e incluso centímetros de diámetro; son esféricos, de superficie lisa, cohesivos y presentan cierto grado de diferenciación celular o tisula

En condiciones óptimas, las células que los conforman pueden proliferar sin perder su integridad

Inclusive, en un reactor tipo airlift, suspensiones de agregados de 3-7mm acumularon seis veces más metabolitos que las suspensiones finas

El tamaño

de los agregadosTransferencia de masa

nutrientes, iluminación, O2 y otros factores

microambientales

Tamaño de los Agregados y Procesos de Transferencia de

Masa

Este parámetro se define como el diámetro máximo para la respiración ilimitada a

través del agregado y se calcula la ecuación

Como donde dcrit : diámetro crítico, De : coeficiente de difusión efectiva de O2 (m2·s-1), cs : concentración de O2 en la superficie del agregado (mol·m-3), ceq : concentración de O2 en el equilibrio (mol·m-3), y OUR: velocidad de consumo de O2 (mol·m-3).

Agregación y Morfogénesis

Se ha intentado determinar si la agregación celular de los cultivos in vitro implica un proceso de diferenciación celular

Agregados compactos Estructuras morfogénicas

Producción de metabolitos secundarios.

selección de líneas celulares, la elicitación o la adición de precursores

agregados como “bio-transformadores”.

Combinación de la Agregación con otrasEstrategias

En cultivos de CCA de R. rosea se estimuló la producción de rosina y rosavina mediante la biotransformación del cinamil- alcohol

Bibliografía

• Este trabajo fue financiado por la Secretaría de Investigación y Posgrado del IPN (Proyecto SIP 20070118). Los autores son becarios COFAA y EDI.