Diferenciación Celular y Biosíntesis de Metabolitos Secundarios
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LA AGREGACIÓN CELULAR EN LA PRODUCCIÓN DE METABOLITOS
SECUNDARIOS EN CULTIVOSVEGETALES IN VITRO
Jesús Augusto RiveraHéctor Andrés MuñozFabio José Salazar
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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
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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
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Catharanthus roseus Taxus brevifolia L
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BiotecnológicaMetabolitos SecundariosPRODUCCION
40 AÑOS INVESTIGACIÓN DESARROLLO TECNOLÓGICO
Producción SHICONINA
células de Lithospermum erythrorhizon
TAXOL Taxus spp.
EXITOS
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TOTIPOTENCIA CELULAR
Obtener cultivosde células no Diferenciadas, como callos y Suspensiones Selulares,y además órganos como brotes y
raíces.
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Células nodiferenciadas
Células diferenciadas
Mayores velocidades de
crecimiento
Órganos (raíces y brotes)
Ventajas para el desarrollo, control y manipulación de procesos a
escala industrial.
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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.
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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
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Alternativa suspensión celular
Sistemas invitro diferenciados(brotes y raíces)
Selección de lineas celulares con agregados de mayor tamaño y agregados especializados
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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
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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
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Catharanthus roseus
Catharanthus roseus (Vinca de Madagascar) es una especie de catharantus nativa y endemicade de Madagascar.
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• 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
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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
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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
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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
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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
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El tamaño
de los agregadosTransferencia de masa
nutrientes, iluminación, O2 y otros factores
microambientales
Tamaño de los Agregados y Procesos de Transferencia de
Masa
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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).
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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.
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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
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Bibliografía
• Este trabajo fue financiado por la Secretaría de Investigación y Posgrado del IPN (Proyecto SIP 20070118). Los autores son becarios COFAA y EDI.