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Reseña Científica Biotecnología Vegetal Vol. 11, No. 4: 195 - 211, octubre - diciembre, 2011
ISSN 1609-1841 (Versión impresa)
ISSN 2074-8647 (Versión electrónica)
Producción de metabolitos secundarios de plantas mediante el cultivo in vitro
Naivy Pérez-Alonso*, Elio Jiménez *Autor para correspondencia.
Instituto de Biotecnología de las Plantas. Universidad Central Marta Abreu de Las Villas Carretera a Camajuaní km 5.5. Santa Clara, Villa Clara, Cuba. e-mail: naivy@ibp.co.cu
RESUMEN
El cultivo in vitro de células y tejidos es una fuente alternativa para la producción de valiosos compuestos activos a partir de plantas. El cultivo de células indiferenciadas ha sido objeto de numerosas investigaciones, sin embargo, un gran interés ha despertado en el cultivo de raíces y órganos durante los últimos años. Diferentes estrategias in vitro han sido desarrolladas con el objetivo de incrementar el contenido de metabolitos secundarios en plantas e incluso han permitido la obtención de nuevos compuestos de gran interés en la industria farmacéutica, fundamentalmente. Este trabajo persiguió como objetivo abordar los principales aspectos científicos de la producción de metabolitos secundarios de plantas mediante el uso del cultivo in vitro. Son notables las técnicas de cultivo empleadas así como las estrategias relacionadas con el empleo de biorreactores, procesos de elicitación y la ingeniería metabólica como las más promisorias para la producción de metabolitos secundarios de alto valor en la industria. En esta reseña se ponen en evidencia estos aspectos así como las perspectivas futuras de la producción de metabolitos secundarios in vitro.
Palabras clave: biorreactores, compuestos naturales, cultivo de órganos, elicitores, ingeniería metabólica
ABSTRACT
Plant cell and tissue cultures are considered as an alternative source to the whole plant for the production of valuable compounds. Undifferentiated cell cultures have been extensively studied, but a large interest has also been shown in hairy roots and other organ cultures during the last years. Different in vitro strategies have been developed to increase the content of plant secondary metabolites. They have also allowed obtaining new substances, especially pharmaceuticals. The objective of this work was to approach the main scientific aspects about plant secondary metabolites production using in vitro culture. The in vitro techniques and strategies related with bioreactor culture, elicitation and metabolic engineering are notable as the most promising for the production of high-value secondary metabolites of industrial importance. This review deals with these aspects and future prospects for the production of valuable secondary metabolites in vitro.
Key words: bioreactors, elicitors, metabolic engineering, natural compounds, organ culture
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN
IMPORTANCIA Y CLASIFICACIÓN DE LOS
METABOLITOS SECUNDARIOS
CULTIVO IN VITRO PARA LA PRODUCCIÓN DE
METABOLITOS SECUNDARIOS
Cultivo de células
Cultivo de órganos
Optimización de la composición del medio y
condiciones de cultivo
INTRODUCCIÓN
Las plantas son fuentes de un gran número de productos metabólicos de importancia comercial y son usados en las industrias farmacéutica, alimenticia, de cosméticos y
Inmovilización celular
Adición de precursores
Elicitores
Recuperación del producto in situ
Biotransformación
Escalado de la producción
Transformación genética
Ingeniería metabólica PERSPECTIVAS DE LA PRODUCCIÓN DE METABOLITOS
como fuentes de numerosas sustancias de interés agroquímico (Karuppusamy, 2009). Se estima que más de 100 000 metabolitos secundarios son producidos por las plantas (Bhalla et al., 2005). Aproximadamente 1 600 estructuras químicas nuevas obtenidas a partir
de plantas superiores se describen cada año, de las cuales un gran número tiene actividad biológica (Sajc et al., 2000; Fiehn, 2002). Esto hace que el estudio de los metabolitos presentes en las plantas sea un enorme reto, de ahí la necesidad de utilizar tecnologías diversas para su producción, caracterización e identificación.
La demanda de productos naturales de interés farmacéutico provenientes de plantas se ha incrementado en los últimos años dada la limitación de los procesos de obtención de medicamentos basados en la síntesis química (Pezzuto, 1995). A esto se le suma la gran diversidad química de estos sobre los compuestos sintéticos y la intensa actividad biológica como resultado de la selección natural (Guttman et al., 2004). Adicionalmente, el costo de los biofármacos limita su disponibilidad en un amplio sector del mercado y no satisface las necesidades de la población mundial (Gleba et al., 1999). Otro aspecto de gran interés ha sido que muchas especies vegetales están en peligro de extinción o se han extinguido debido a los problemas ambientales provocados por el hombre y a la sobreexplotación de las fuentes naturales (Makunga y van Staden, 2008).
Es comprensible entonces el interés de grandes industrias en la producción de compuestos naturales de importancia comercial, cuya calidad y costos no se afecten por condiciones climáticas, sanitarias o políticas de la región de producción. Es en este contexto, donde los avances de la biotecnología vegetal, especialmente el cultivo de células y tejidos constituyen una alternativa para la producción de metabolitos secundarios de gran interés (Vanisree y Tsay, 2007).
Este trabajo persiguió como objetivo abordar los principales aspectos científicos de la producción de metabolitos secundarios de plantas mediante el uso del cultivo in vitro. Igualmente, se describen las diferentes estrategias que han sido empleadas ya sea en el cultivo de células indiferenciadas como el cultivo de órganos, que cobra cada vez mayor importancia.
IMPORTANCIA Y CLASIFICACIÓN DE LOS METABOLITOS SECUNDARIOS
Los metabolitos secundarios son compuestos derivados del metabolismo primario pero de limitada distribución en el reino de las plantas, restringidos a un grupo taxonómico particular
(Shilpa et al., 2010). Antiguamente se aceptó que las sustancias secundarias se producían con funciones relativas inespecíficas, después se encontró que muchas de estas poseen altos rendimientos y que tienen múltiples funciones en las plantas (Wink, 2007). Los compuestos secundarios no tienen una función aparente en el metabolismo primario pero sí tienen una implicación ecológica como defensa contra herbívoros, virus, hongos, bacterias, como sustancias alelopáticas, fitoalexinas o disuasorios nutritivos (Bourgaud et al., 2001). Otros tienen una función fisiológica, por ejemplo los alcaloides, las pectinas que pueden servir para el transporte de nitrógeno tóxico y compuestos de almacenamiento, mientras los compuestos fenólicos como los flavonoides realizan una función como protectores de rayos ultravioletas (Wink, 2007). Además, son una fuente importante de principios activos de medicamentos y de valiosos productos químicos (Goossens et al., 2003).
Aunque gran parte de los medicamentos se obtienen por síntesis química, la mayoría de las estructuras principales están basadas en productos naturales. Mundialmente existe un 44% de nuevos medicamentos basados en productos naturales y en países desarrollados el 25% de los medicamentos son derivados de plantas (Haq, 2004). Se conoce que en la producción de medicamentos, según Hostettmann et al. (2000), el 11% representa productos naturales (extractos de plantas), 24% son productos de origen natural, es decir que para la síntesis de compuestos utilizan precursores de origen natural y el 9% son copias sintéticas de productos naturales. Tal es su importancia, que aproximadamente el 60% de compuestos anticancerígenos y el 75% de medicamentos contra enfermedades infecciosas son productos naturales o derivados de estos (Cragg y Newman, 2005). Muchos son los ejemplos que evidencian su uso. Entre ellos se mencionan a los alcaloides aislados de Physostigmatis semina usados para contraer la pupila, a diferencia de los alcaloides aislados de Atropa belladona que la dilatan; glucósidos cardíacos de las especies de Strophantus efectivos como estimulantes del corazón. Igualmente, la aspirina, utilizada como analgésico y para prevenir infartos y trombos, es un derivado del ácido salicílico que se encuentra naturalmente en las especies del género Salix. Las propiedades de la mayor parte de las especias, condimentos, infusiones y bebidas como el café, el té y el chocolate, aromas, saborizantes y estimulantes se les atribuyen a metabolitos secundarios farmacológicamente activos, como los alcaloides cafeína, teofilina y teobromina (Anaya-Lang y Espinoza-García, 2006).
Los compuestos secundarios de plantas de interés comercial, han sido incluidos en tres principales categorías según sus rutas biosintéticas: terpenos, compuestos fenólicos y compuestos nitrogenados (Chinou, 2008). Los terpenos se forman por la polimerización de unidades de isoprenos y esteroides (Sarin, 2005) y se dividen en seis grupos: monoterpenos, sesquiterpenos, diterpenos, triterpenos, tetraterpenos y esteroles, dentro de los cuales se encuentran carotenos, glicósidos cardiotónicos, taxol, entre otros (Shilpa et al., 2010). Entre los compuestos fenólicos se incluyen los ácidos fenólicos, cumarinas, flavonoides y taninos. Las aplicaciones farmacéuticas de estos compuestos son considerables, se refieren sus efectos como analgésicos, antibacterianos, antihepatotóxicos, antioxidantes, antitumorales,
inmunoestimulantes, entre otras (Gurib-Fakim, 2006). Los compuestos nitrogenados son principalmente los alcaloides y glucósidos cianogénicos. Los alcaloides son un diverso grupo de compuestos con cerca de 4 000 estructuras conocidas. Estos son fisiológicamente activos en humanos (cocaína, nicotina, morfina) y por supuesto de gran interés en la industria farmacológica (Sajc et al., 2000). Por otra parte, los glucósidos cianogénicos, se consideran posiblemente, los metabolitos secundarios con mayor relación en las funciones de defensa (Bennett y Wallsgrove, 1994).
Un amplio grupo de productos naturales también han sido clasificados según su aplicación. Entre ellos se agrupan los productos farmacéuticos que incluyen alcaloides (vincristina, vinblastina, ajmalicina, atropina, berberina, codeina, reserpina, nicotina, camptotecina), cardenólidos (digitoxina, digoxina); diterpenos (paclitaxel); saborizantes y flavonoides como el esteviósido, la quinina; productos utilizados como pigmentos y en la perfumería como los antocianinos, betalinos, el aceite de rosas y de jazmín y productos utilizados con fines
químicos y agroquímicos como proteasas, vitaminas, lípidos, aceites, látex (Ramachandra Rao y Ravishankar, 2002).
CULTIVO IN VITRO PARA LA PRODUCCIÓN DE METABOLITOS SECUNDARIOS
El cultivo de tejidos presenta aspectos y aplicaciones prácticas muy variadas entre las que se destaca la producción de metabolitos secundarios de plantas (Kreis, 2007). Se ha revelado como una inapreciable ayuda en otros campos de la Fitoquímica, principalmente en estudios biogenéticos y enzimáticos como fuente para el aislamiento de metabolitos secundarios y comercialmente, para la rápida propagación de las plantas de interés. Además, tiene un amplio uso en el mejoramiento genético de plantas, en la obtención de clones libres de microorganismos patógenos así como en la conservación de germoplasma (George y Debergh, 2008).
Varios ejemplos corroboran el uso del cultivo in vitro para la producción de metabolitos secundarios de plantas en laboratorios de investigación (Tabla 1).
Las principales ventajas del cultivo in vitro sobre el cultivo convencional de plantas son: se pueden obtener sustancias de gran utilidad (metabolitos secundarios) en condiciones controladas independientemente de factores ambientales bióticos (interacción con patógenos) y abióticos (sequía, luz ultravioleta y temperaturas extremas) así como obtener un incremento considerable en el rendimiento de los metabolitos específicos (Vanisree y Tsay, 2007). Además, es posible reducir los costos e incrementar la productividad mediante el control automatizado del proceso y la regulación de los procesos metabólicos; contar con sistemas de producción definidos, calidad uniforme y rendimientos constantes del producto, así como la posibilidad de establecer sistemas estrictos de control de la calidad del producto (Paek et al., 2005; Vanisree y Tsay, 2007). El cultivo in vitro ofrece también la posibilidad de sintetizar proteínas foráneas en determinadas situaciones que incluyen proteínas terapéuticas y antigénicas (Doran, 2000). El proceso de extracción puede ser más simple, rápido y eficiente comparado con la y
fisicoquímicos (concentración de sacarosa, nutrientes minerales, reguladores de crecimiento, las condiciones de cultivo como pH, temperatura, composición gaseosa, agitación, calidad y cantidad de luz), selección de líneas celulares, inmovilización celular, adición de precursores e intermediarios biosintéticos, extracción contínua del producto, elicitación, transformación genética (Goleniowski y Trippi, 1999; Wang et al., 2001; Sales et al., 2002; Shohael et al., 2006; Kim et al., 2009; Arora et al., 2010). La aplicación de estas estrategias, en especial la ingeniería genética y la biología molecular en combinación con la bioquímica para estudiar el metabolismo secundario y su regulación, condujo las investigaciones al desarrollo de nuevas estrategias experimentales que han culminado en la aparición de la ingeniería metabólica y la agricultura molecular. Las estrategias utilizadas para incrementar la producción de metabolitos secundarios serán abordadas en otro acápite.
La enorme demanda de productos naturales que tiene el mercado internacional le ha concedido gran importancia al cultivo in vitro como fuente de metabolitos secundarios y a su vez ha permitido desarrollar nuevas investigaciones en los procesos metabólicos que rigen su producción. Sin embargo, no es solo la importancia comercial de estos lo que ha permitido el desarrollo investigativo en este campo. La producción de compuestos químicos regulada por el cultivo in vitro brinda una excelente oportunidad para el desarrollo de investigaciones bioquímicas relacionadas con las rutas metabólicas bajo un ambiente controlado (Karuppusamy, 2009).
Hasta el momento, la mayoría de las investigaciones relacionadas con la producción de metabolitos secundarios de plantas mediante el cultivo in vitro han estado centradas en la utilización de tejidos indiferenciados (callos, suspensiones celulares) (Ketchum et al., 1999; Sajc et al., 2000; Wilken et al., 2005; Korsangruang et al., 2010; Arora et al., 2010; Deshmukh et al., 2011).
A pesar del gran número de investigaciones que se han llevado a cabo para incrementar las aplicaciones comerciales de las técnicas del cultivo de células en la producción de metabolitos secundarios, existen todavía pocos ejemplos exitosos. Entre ellos se destacan la
shikonina, la berberina, el ácido rosmarínico, los ginsenósidos (obtenidos de Lithospermum erythrorhizon, Coptis japonica, Coleus bluemii, Panax ginseng, respectivamente) son el resultado (tres primeros ejemplos) de la producción a gran escala que combina el cultivo de células con la tecnología de los biorreactores y el cuarto a partir del cultivo de raíces (Bourgaud et al., 2001; Vanisree y Tsay, 2007). Varios grupos de investigación han desarrollado nuevas estrategias para la obtención de compuestos antitumorales como el paclitaxel de especies de Taxus (Ketchum et al., 1999), podofilotoxinas de Podophyllum peltatum (Kutney et al., 1991), camptotecina de Camptotheca acuminata (Wiedenfeld et al., 1997) así como vinblastina y vincristina de Catharanthus roseus (Verpoorte et al., 1997).
Cultivo de células
El cultivo de células de plantas fue introducido a finales de los años 60 del siglo XX, como una posible herramienta para el estudio y la producción de los metabolitos secundarios (Bourgaud et al., 2001) y desde entonces ha sido extensamente estudiado con el objetivo de incrementar la acumulación de los compuestos deseados.
Las ventajas que ofrece el cultivo de células, específicamente suspensiones celulares, es que permite un manejo similar al que se realiza con microorganismos, una rápida multiplicación celular y es posible realizar el escalado en técnicas novedosas como los biorreactores (Vanisree et al., 2004). Sin embargo, no todos los compuestos son producidos en células indiferenciadas en igual cantidad y calidad que los obtenidos en las plantas madres. Esto se debe a que muchos metabolitos se sintetizan integrados a eventos de diferenciación (Kreis, 2007). Además, existe una inestabilidad genética y fisiológica y se observa una pérdida del producto en el tiempo.
Sin embargo, varios autores han señalado la identificación de líneas celulares que pueden producir metabolitos en igual o superior cantidad a la producida en condiciones naturales. También nuevas sustancias han sido detectadas, las cuales no son sintetizadas por las plantas en su hábitat natural (Massot et al., 2000; Capote et al., 2008), por lo que se afirma que el cultivo de líneas celulares constituye una
tecnología de gran relevancia para la obtención de nuevos metabolitos secundarios.
La producción de metabolitos secundarios en cultivos celulares, principalmente suspensiones celulares ha impactado sustancial y ampliamente en la producción de sustancias bioactivas (Vanisree y Tsay, 2007). Por el contrario, el cultivo de callos si bien es considerado un material vegetal adecuado para estudios biosintéticos no lo es para la producción de metabolitos debido a su lento ritmo de crecimiento y no favorece el escalado en sistemas como los biorreactores (Kreis, 2007). Muchos metabolitos secundarios no se encuentran en cultivos de callos y en casos donde se ha detectado, la concentración es usualmente mucho más baja que en plantas (Steven, 1998).
El desarrollo de sistemas de cultivo de células de plantas tiene como objetivos obtener una alta producción del compuesto, alta productividad y un alto rendimiento del producto mediante técnicas novedosas de biosíntesis. Los principales problemas asociados a la producción comercial son la baja productividad, la inestabilidad de las líneas celulares y la dificultad para realizar el escalado de la producción (Zhong, 2001).
En la literatura científica se refieren numerosos ejemplos que describen los resultados de investigaciones realizadas. Por ejemplo, los resultados de las investigaciones realizadas con aceites esenciales mostraron que las células indiferenciadas no son capaces de producir monoterpenos por la ausencia de estructuras capaces de acumular estas sustancias (Dörnenburg y Knorr, 1997). Estos autores afirman que existen varios factores que se interrelacionan y que necesitan ser investigados con el objetivo de favorecer la producción del metabolito de interés.
Un ejemplo de relevancia del uso del cultivo de suspensiones celulares es la producción de taxol. Su baja productividad asociada al valor comercial e importancia ha estimulado el desarrollo de múltiples trabajos. Autores como Ketchum et al. (1999) y Wang et al. (2001) han informado que obtuvieron paclitaxel y otros taxoides a partir de diferentes sistemas de cultivo de tejidos, como callos, suspensiones celulares, brotes, raíces y cultivos
embriogénicos en diferentes especies de Taxus. El cultivo de suspensiones se considera como el método más viable para la obtención del taxol aunque los valores obtenidos son aún bajos para la producción comercial (Cusidó et al., 2002).
Capote et al. (2008) encontraron en el cultivo de callos y suspensiones celulares de Morinda royoc el mayor número de compuestos identificados, los cuales no se detectaron en las hojas de las plantas en campo ni en los brotes in vitro. Entre los compuestos identificados en los callos y suspensiones celulares está la morindina, un compuesto específico del género Morinda.
Cultivo de órganos
Kreis (2007) menciona los aspectos a los cuales puede estar asociada la acumulación de los metabolitos secundarios. Estos son: la presencia de determinados tipos de células, la presencia de ciertos organelos y la expresión y regulación de genes biosintéticos o catabólicos. Por tanto, el cultivo de órganos representa una alternativa interesante para la producción de metabolitos secundarios de plantas. Dos tipos de órganos son considerados de mayor importancia: los brotes y las raíces (Bourgaud et al., 2001), los cuales pueden ser cultivados a gran escala.
El cultivo de órganos puede producir sustancias de interés que no han sido obtenidos a partir de cultivos no diferenciados. Sin embargo, el cultivo de brotes no puede producir todos los compuestos que se obtienen en las hojas de las plantas en condiciones naturales. Según Kreis (2007) si el compuesto de interés se sintetiza en las raíces, entonces no aparecerá en el cultivo de brotes. Por otra parte, es necesario tener en cuenta que aunque el compuesto se sintetice en las hojas puede que su patrón y concentración sean diferentes a los que se obtienen en plantas intactas. Como principal ventaja, se señala que el cultivo de órganos es más estable genéticamente comparado con el cultivo de suspensiones celulares y callos.
El cultivo de brotes ha sido investigado como fuente de aceites esenciales, alcaloides, flavonoides. Por ejemplo, el cultivo de brotes de Lavandula officinalis en medios de cultivo
semisólidos mostró mayor contenido de ácido rosmarínico que el obtenido en plantas en condiciones naturales, según Wilken et al. (2005). Sin embargo, en otras especies como Hypericum perforatum, Cymbopogon citratus y Fabiana imbricata las concentraciones de los compuestos deseados fueron menores que los obtenidos en las plantas en condiciones naturales.
Igualmente, el cultivo de raíces se ha desarrollado a partir de diferentes métodos. El más utilizado, es el método basado en la infección del tejido con Agrobacterium rhizogenes que resulta en el desarrollo de raíces aéreas en el sitio de infección (Kreis, 2007). Dichas raíces aéreas tienen como ventaja una rápida multiplicación y no necesitan la aplicación exógena de reguladores de crecimiento (Giri y Narasu, 2000). Además, es un sistema ideal para llevar a cabo estudios metabólicos y es posible realizar el escalado de la producción en biorreactores (Yang et al., 2011). Según Tepfer (1990) cultivos estables de raíces aéreas se habían obtenido en 116 especies de plantas y este tipo de cultivo se utiliza en muchos laboratorios (Kim et al., 2009; Lan y Quan, 2010; Yang et al., 2011).
Varios investigadores han comparado el cultivo de raíces transformadas y no transformadas respecto a crecimiento y productividad y han mostrado claras evidencias que confirman la suposición de que las raíces transformadas, generalmente, tienen un rápido crecimiento y mayor ritmo de producción del compuesto deseado. Boitel-Conti et al. (1997), Vanìk et al. (2005) encontraron que el cultivo de raíces y específicamente raíces transformadas muestran un buen crecimiento in vitro y producen metabolitos secundarios en cantidades equivalentes, a veces mayor que las producidas por la plantas cultivadas en condiciones naturales.
ESTRATEGIAS DESARROLLADAS PARA INCREMENTAR LA PRODUCCIÓN DE METABOLITOS SECUNDARIOS DE INTERÉS
Una vez estudiado y establecido el sistema de cultivo para la producción del metabolito de interés se deben desarrollar estrategias que permitan aumentar su rendimiento. Casi la totalidad de las investigaciones realizadas
culminan en un proceso que integra varias de estas estrategias lo que permite un incremento en los rendimientos de los metabolitos de interés. Entre ellas se mencionan:
Selección de líneas celulares
Una vez que se ha establecido el cultivo de células, se observa un proceso continuo de cambios epigenéticos o genéticos, el cual provoca que la población sea heterogénea. Es por esto que se hace necesario seleccionar clones con un alto ritmo de crecimiento y con una alta producción de los metabolitos de interés (Shilpa et al., 2010). Las líneas celulares se obtienen mediante la selección a través de siguiendo varias estrategias que incluyen: los exámenes microscópicos, macroscópicos y químicos (Kreis, 2007). La selección de líneas celulares ha sido una estrategia favorable para la obtención de pigmentos en cultivos de Lithospermum erythrorhizon donde se encontraron clones con un alto incremento de shikonina (Fujita et al., 1984). Sin embargo, esta estrategia no ha sido exitosa en investigaciones como es el caso del cultivo de células de Papaver somniferum para producir codeína en considerables cantidades (Park et al., 1992).
Optimización de la composición del medio y condiciones de cultivo
La optimización del medio y las condiciones de cultivo pueden incrementar la productividad del compuesto de interés. Sin embargo, se ha demostrado en varios trabajos que las condiciones de cultivo y nutrientes necesarias para el desarrollo de la biomasa no coinciden con las necesarias para la producción del compuesto de interés (Wilken et al., 2005). Este aspecto ha promovido el desarrollo de un sistema de cultivo en dos etapas, una primera que estimule el crecimiento de la biomasa y la segunda que favorezca la biosíntesis del metabolito deseado (Morris et al., 1985).
Varios grupos de investigación han realizado modificaciones a los componentes básicos de los medios de cultivo, las cuales se han basado con mayor frecuencia en la concentración o naturaleza de compuestos como el nitrógeno, el fósforo, el potasio, el calcio, el magnesio, los reguladores de crecimiento u otras sustancias que intervienen en la ruta metabólica del
compuesto de interés (Briskin, 2007). Por ejemplo, en estudios realizados en el cultivo de suspensiones celulares de Digitalis thapsi los niveles de cardenólidos se incrementaron con la eliminación del calcio (Cacho et al., 1999).
Varios estudios han demostrado el efecto del tipo y la concentración de la fuente de carbono que afecta no sólo el crecimiento celular sino también el rendimiento de productos, aunque no siempre de una forma predecible. Así, en suspensiones celulares de Taxus chinensis cultivadas en biorreactores se obtuvo un incremento de la producción de taxoides. Esto fue posible mediante la adición de sacarosa en combinación con el efecto del metil jasmonato (Dong y Zhong, 2002). Otros autores como Wang y Zhong (2002) encontraron que la adición de fructosa promovió la producción de taxol en el cultivo de células de Taxus spp. Estos resultados son considerados de gran utilidad en la producción de taxoides en el cultivo de células de Taxus spp.
Por otra parte, Arora et al. (2010) incrementaron en 14 veces el contenido de polifenoles en el cultivo de células de Cayratia trifolia con la adición de 3% sacarosa en combinación con el ácido salicílico y un extracto de Cuscuta reflexa comparado con el cultivo control.
Otro ejemplo del efecto de la composición del medio de cultivo se halla en el cultivo de callos de Duboisia myoporoides donde la presencia de citoquininas incrementa la producción de alcaloides. Sin embargo, la sustitución del ácido naftalenacético por el ácido indolbutírico en las mismas concentraciones inhibió la formación de la hiosciamina y escopolomina en plantas cultivadas en medio de cultivo líquido (Khanam et al., 2000).
Rathore y Shekhawat (2009) han señalado que la acumulación de isoflavonoides en órganos de plantas regeneradas in vitro fue tan elevada como la obtenida en plantas madres. Este incremento pudo ser originado, según los autores, debido a las condiciones de cultivo in vitro y el efecto de los reguladores de crecimiento utilizados en la investigación.
En cuanto a las condiciones de cultivo varios autores reafirman el efecto del pH, la luz y la temperatura en el incremento de la concentración de los metabolitos deseados en diferentes especies. Es el caso de la acumulación de
podofilotoxinas que se vio estimulada por la iluminación en cultivos de Linun flavum, mientras que los mismos autores encontraron un incremento de podofilotoxinas en cultivos de suspensiones celulares de Podophyllum hexandrum en oscuridad, superior al obtenido en suspensiones celulares cultivadas en condiciones de luz (Van Uden, 1993). Shohael et al. (2006) evaluó el efecto de la temperatura en la producción de metabolitos secundarios en embriones somáticos de Eleutherococcus senticosus. Durante el crecimiento de los embriones somáticos a 12, 18 y 30°C observaron una disminución en el contenido de flavonoides y fenoles totales en comparación con 24°C.
Además, existen otros factores externos que pueden estimular o atenuar la acumulación de metabolitos como son: el número de subcultivos, el tipo y la edad del explante utilizado que se requiere tener en cuenta para desarrollar una estrategia favorable (Steven, 1998).
Inmovilización celular
La inmovilización celular tiene como ventajas que la biomasa producida puede ser utilizada continuamente, altos niveles de producción de biomasa y las células pueden ser separadas fácilmente del medio de cultivo (Kreis, 2007). Aunque la inmovilización celular fue propuesta originalmente para otros fines, evidencias experimentales indican que puede tener un impacto en la producción de metabolitos secundarios (Baldi et al., 2007). Por ejemplo, suspensiones celulares de Taxus cuspidata fueron inmovilizadas durante seis meses y se alcanzaron niveles de paclitaxel de 0.012% de peso seco (Fett-Neto et al., 1992). De igual forma, Komaraiah et al. (2003) realizaron estudios para incrementar el contenido de naftoquinonas en células inmovilizadas de Plumbago rosea. Junto a esta estrategia emplearon la elicitación y la recuperación del producto in situ lo que incrementó considerablemente la producción del metabolito secundario de interés.
Adición de precursores
La adición de precursores representa una interesante estrategia para explotar el potencial biosintético de las enzimas presentes en el cultivo de células. Precursores como la fenilalanina, ácido benzoico o serina han sido utilizados para incrementar la acumulación de
paclitaxel en el cultivo de callos y suspensiones celulares de Taxus cuspidata (Fett-Neto et al., 1994). También estudios de precursores combinados se han empleado en cultivos de Camptotheca accuminata donde la estrictosidina fue fácilmente biotransformada pero no fueron detectados niveles de camptotecina (Silvestrine et al., 2002). Por otra parte, en el cultivo de brotes de Hypericum perforatum en medios de cultivo líquidos se han empleado varios precursores con el objetivo de incrementar el contenido de hipericina y hiperforina (Liu et al., 2007). Los resultados mostraron que la biosíntesis de hipericina fue estimulada por L-fenilalanina pero sólo en concentraciones elevadas favoreció la síntesis de hiperforina, mientras que el triptófano disminuyó el contenido de los metabolitos de interés. Estos resultados demostraron que los metabolitos secundarios pueden ser modulados por la adición de precursores de sus rutas biosintéticas.
Otros autores como Baldi y Dixi (2008) han evaluado el efecto de varios precursores de la biosíntesis de terpenos como el acetato de sodio, el ácido mevalónico, la caseína hidrolizada y el colesterol en el cultivo de células de Artemisia annua. La acumulación máxima de artemisina (96.8 mg l-1) se obtuvo con el ácido mevalónico.
Elicitores
La elicitación es uno de los métodos más efectivos establecidos en procesos a gran escala para inducir la expresión de genes asociados con enzimas responsables de la síntesis de metabolitos secundarios como mecanismo de defensa contra el ataque de patógenos o daños en plantas (Namdeo, 2007; Baldi et al., 2007).
El término «elicitor» se utiliza comúnmente para denominar los factores físicos y químicos que son responsables de las respuestas fisiológicas o morfológicas de las plantas. Según su origen y estructura molecular han sido clasificados como físicos o químicos, abióticos o bióticos y dentro de este grupo como elicitores de composición química compleja o definida (Radman et al., 2003).
Entre los elicitores físicos están el déficit hídrico, la salinidad, temperaturas extremas, excesiva
o insuficiente radiación luminosa, anaerobiosis por encharcamiento o inundación, factores mecánicos como el viento o la compactación del suelo y las lesiones. Los químicos incluyen el estrés iónico (por salinidad), el estrés nutricional, o la presencia de contaminantes inorgánicos (dióxido de silicio, ozono o metales pesados) u orgánicos (clorofluorocarbonados, bifenilos policlorados o hidrocarburos aromáticos policíclicos). El estrés abiótico es el más común y generalmente, se produce una combinación de varios de ellos.
Los elicitores que son usados con más frecuencia en el cultivo in vitro con el objetivo de incrementar la producción de metabolitos secundarios incluyen al metil jasmonato (Ketchum et al., 1999; Wang y Zhong, 2002; Kim et al., 2004; Roat y Ramawat, 2009), los oligosacáridos (Prakash y Srivastava, 2008; Korsangruang et al., 2010); extractos de hongos u otros microorganismos (Namdeo et al., 2002; Kim et al., 2004; Xu et al., 2005; Arora et al., 2010).
La mayor parte de las investigaciones relaciones con el uso de los elicitores han sido desarrolladas en el cultivo de células. Hasta la fecha, solo algunos investigadores han establecido el uso de elicitores en el cultivo de órganos (Spollansky et al., 2000; Kim et al., 2004; Liu et al., 2007; Orlita et al., 2008; Sakunphueak y Panichayupakaranant, 2010).
A continuación se reflejan resultados que muestran el efecto positivo de la combinación de diferentes elicitores bióticos y abióticos como una estrategia para el incremento de los metabolitos secundarios en plantas.
Entre los principales resultados se pueden citar los descritos por Królicka et al. (2001) que describen la acumulación de umbeliferona en el cultivo in vitro de callos, suspensiones celulares y raíces de Ammi majus mediante elicitores abióticos (dióxido de silicio y ácido jasmónico) y elicitores bióticos como extractos de las bacterias Enterobacter sakazaki y Erwinia chrysanthemi.
Posteriormente, Namdeo et al. (2002) informaron del uso de micoorganismos para elicitar suspensiones celulares de Catharanthus roseus (extractos de Aspergillus niger, Fusarium moniliforme y Trichoderma
viride). La máxima producción de ajmalicina (75 μg g-1 MS) fue observada en células tratadas con T. viride.
Autores como Luo y He (2004) señalan un máximo de 54 mg l-1 de paclitaxel producido en suspensiones celulares de Taxus chinensis mediante la adición de la combinación de diferentes elicitores como el metil jasmonato, nitrato de plata, chitosan, precursores como fenilalanina, glicina y resultó un incremento respecto al cultivo no elicitado.
El efecto de elicitores abióticos fue estudiado además, en la producción de podofilotoxinas en el cultivo de suspensiones celulares de Linum album y se obtuvo una producción de 0.24 mg g-1 de masa seca con la adición de 1mM de plata (Shams-Ardakani et al., 2005).
Otros estudios revelan el efecto positivo de la sacarina y el benzotidiazol (función química análoga al ácido salicílico) en la biosíntesis de cumarinas y alcaloides en brotes de Ruta graveolens (Orlita et al., 2008). Estudios en el cultivo de células de Cayratia trifolia revelaron el efecto del ácido salicílico, el metil jasmonato, el ethrel (regulador del crecimiento), extracto de levaduras en la producción de polifenoles (Roat y Ramawat, 2009). Los resultados mostraron un incremento en la producción de los polifenoles con el ácido salicílico y el metil jasmonato.
Korsangruang et al. (2010) demostraron el efecto de elicitores bióticos y abióticos en la acumulación de isoflavonoides en dos variedades de Pueraria candollei. El metil jasmonato fue el elicitor que incrementó notablemente el contenido del metabolito de interés.
Recuperación del producto in situ
La permeabilización mediante el uso de solventes y la adición de adsorbentes al cultivo de células son estrategias que han sido también usadas para incrementar la producción de metabolitos secundarios. Aunque no son estrategias ampliamente utilizadas tienen como ventajas estimular la biosíntesis de los metabolitos y además facilitar la separación de los productos (Baldi
et al., 2007). Kwon et al. (1998) estudió los efectos de la adición de adsorbentes en la producción de taxol y taxanos en el cultivo de células de Taxus cuspidata y encontraron un incremento en la biosíntesis de taxol entre un 40 y 70% a los 16 días de cultivo.
Biotransformación
Las enzimas de las plantas son capaces de catalizar reacciones específicas o estereospecíficas. Por consiguiente, la inmovilización de células así como las preparaciones enzimáticas pueden ser usadas para la producción de biofármacos mediante la biotransformación (Baldi et al., 2007). Los estudios de biotransformación que se han llevado a cabo en los cultivos de suspensiones celulares se han desarrollado para producir nuevos compuestos, producir compuestos conocidos de una forma más económica y elucidar rutas metabólicas (Kreis, 2007). Los trabajos realizados en Digitalis lanata son los mejores ejemplos, Kreis y Reinhard (1992) obtuvieron cardenólidos mediante la biotransformación con el uso de la digitoxina como sustrato.
La biotransformación como estrategia solo puede ser utilizada en el cultivo de células de plantas y para aquellos productos de alto valor económico de interés comercial.
Escalado de la producción
Aunque se han hecho promesas y especulaciones acerca de lo que la biotecnología puede alcanzar, el impacto real en el desarrollo de nuevos productos con técnicas de escalado no se ha demostrado suficientemente aunque desde el punto de vista académico, la tecnología disponible, ha sido eficaz porque ha permitido probar conceptos (Rocha, 2006).
Las razones para explicar el poco éxito comercial se derivan de los retos asociados con aspectos de la producción a gran escala. Así, Baldi et al. (2007) hacen referencia a los cambios que ocurren en el ambiente in vitro cuando se realiza el escalado de cultivos en agitación a biorreactores y que generalmente la productividad disminuye. Es notable señalar la gran atención que ha recibido el cultivo en biorreactores con el objetivo de
implementar los procesos a escala comercial.
Varios trabajos científicos muestran que el cultivo de órganos a pesar de ser una mejor fuente de obtención de metabolitos secundarios ha presentado serios problemas (propiedades físicas de los órganos) en el escalado en biorreactores convencionales. Esto ha llevado al desarrollo de numerosas estrategias en biorreactores modificados y sistemas de inmersión temporal.
Con estos últimos, se han llevado a cabo investigaciones con diferentes diseños pero el mismo principio y con los objetivos de incrementar la calidad de la biomasa producida y manipular las condiciones de crecimiento de la misma y acumulación de los metabolitos secundarios (Wilken et al., 2005; Quiala et al., 2006; Pérez-Alonso et al., 2009).
Estos sistemas por su relación costo-beneficio y por la posibilidad de cultivar tejidos diferenciados con probada capacidad para la síntesis de metabolitos secundarios, pueden ser empleados para la producción de compuestos de interés farmacéutico. Además, brindan la posibilidad de regular o manipular el ambiente in vitro, así como otros parámetros primordiales de cultivo que pueden influir sobre la producción de biomasa y la acumulación de los metabolitos (Wilken et al., 2005).
Por ejemplo, Gontier et al. (2005) desarrollaron un sistema de bajo costo para la producción de biomasa de brotes de Ruta graveolens y la obtención de furanocumarinas, basado en la inmersión temporal. Se obtuvieron 1.6 g de masa seca por día y una productividad de 3.8 mg de furanocumarinas, valores superiores a los que se obtuvieron mediante el cultivo de brotes en agitación y en biorreactores clásicos.
Igualmente, Vanìk et al. (2005) emplearon diferentes sistemas de cultivo a gran escala para la multiplicación de raíces adventicias de Panax ginseng. El mayor contenido de saponinas de 28.51 mg.g-1 de peso seco fue encontrado en las raíces adventicias cultivadas en los sistemas de inmersión temporal RITA®.
Posteriormente, autores como Tisserat y Vaughn (2008) evaluaron el efecto de la frecuencia de inmersión, entre otros factores,
en un sistema automatizado para el cultivo de plantas con igual principio que los sistemas de inmersión temporal. Ellos demostraron que los aceites esenciales de Mentha spicata pueden incrementarse considerablemente mediante cambios físicos en el ambiente in vitro en sistemas automatizados en comparación con sistemas convencionales de cultivo. Estos resultados sugieren que el uso de las plantas desarrolladas en estos sistemas automatizados para la producción de metabolitos permite su aplicación comercial.
Otros autores han desarrollado varias estrategias combinadas para incrementar el contenido de metabolitos secundarios como el uso de biorreactores y la elicitación. Así, Prakash y Srivastava (2008) realizaron estudios en suspensiones celulares elicitadas de Azadirachta indica cultivadas en biorreactores para la producción de azadiractina. Se obtuvo un incremento en la acumulación del metabolito (161.1 mg l-1), tres veces mayor comparado con el control en biorreactores sin el uso de elicitores.
Transformación genética
La transformación genética en plantas ha tenido un gran impacto no sólo en la biología molecular sino como estrategia para el mejoramiento genético de los cultivos. Algunos estudios describen la transferencia estable y la expresión de genes foráneos en plantas de interés medicinal que producen compuestos de actividad farmacológica (Saito et al., 1990; Sales et al., 2007; Zhu et al., 2009). Un sistema eficiente de transformación ha sido el descrito por varios autores mediante Agrobacterium rhizogenes. Por otra parte, autores como Canter et al. (2005) mencionan varios ejemplos exitosos de transformación genética mediante Agrobacterium tumefaciens en especies de Digitalis, Taxus, Artemisia, entre otros géneros. Dicho sistema implica disponer de un método eficiente de regeneración de plantas, una metodología de transferencia de ácido desoxirribonucleico (ADN) y un sistema de selección de células o tejidos transformados para cada una de las fases del proceso de regeneración.
En el género Digitalis el conocimiento de las rutas de biosíntesis de cardenólidos ha incrementado el interés por incluir la
transformación genética dentro de las alternativas de mejoramiento genético. Sales et al. (2002) describieron la regeneración eficiente de la plantas a partir de explantes foliares de Digitalis minor infectados con Agrobacterium tumefaciens. Sin embargo, ni los brotes y raíces regenerados, ni las plantas obtenidas resultaron transformadas. Posteriormente, este mismo grupo de investigadores en el año 2007 empleó un sistema de transformación mediado por A. tumefaciens en esta misma especie, pero esta vez utilizando cepas diferentes. Algunas de las líneas obtenidas presentaron un mayor contenido de cardenólidos (hasta un 40%) tanto in vitro como en condiciones de invernadero.
Otros autores como Zhu et al. (2009) establecieron un sistema de transformación mediado por A. tumefaciens para Dioscorea zingiberensis a partir de callos, el cual puede favorecer la introducción y expresión de genes que incrementen la producción de la diosgenina. Este metabolito es un precursor para la síntesis de varias drogas esteroidales de actividad androgénica, antiinflamatoria, anticonceptiva.
Ingeniería metabólica
Dentro de la ingeniería metabólica se han desarrollado diversos métodos como la sobreexpresión de enzimas requeridas para la síntesis de los productos deseados, la canalización del flujo metabólico hacia el producto de interés, creación de nuevas rutas en las redes metabólicas existentes, que pueden favorecer la acumulación de compuestos que no son normalmente producidos en ciertas especies de plantas (Guttman et al., 2004).
Guttman et al. (2004) encontraron una gran diversidad de nuevas sustancias químicas mediante la transferencia de genes biosintéticos de Catharanthus roseus a un cultivo celular de Nicotiana tabacum con el objetivo de introducir nuevas rutas metabólicas. Mediante el uso de la Cromatografía Líquida de Alta Resolución y la Electroforesis capilar identificaron diferencias en los perfiles metabólicos.
En los primeros estudios biosintéticos se adicionaban precursores radiomarcados a las plantas completas pero se prefiere la adición
de precursores isótopos marcados al cultivo de células. Esto permite el análisis de los metabolitos mediante métodos como la resonancia magnética, nuclear y la espectrometría de masa. La etapa final en el análisis de las rutas biosintéticas es la identificación de enzimas que catalizan la bioconversión individual así como la identificación de los genes que codifican para estas enzimas (Baldi et al., 2007).
PERSPECTIVAS DE LA PRODUCCIÓN DE METABOLITOS
La demanda de los metabolitos secundarios producidos en plantas mediante el cultivo in vitro será cada vez mayor. La optimización de la producción a través del empleo de las diferentes estrategias como el cultivo de órganos en biorreactores, uso de elicitores y precursores (entre las de mayor importancia) que durante los años de investigación se han desarrollado, permitirá una reducción en el tiempo para lograr una producción óptima de los productos deseados con aplicación comercial y bajos costos.
La ingeniería metabólica parece ser la estrategia más promisoria y el conocimiento de las rutas metabólicas así como la identificación de genes y enzimas involucradas en la síntesis de los compuestos deseados permitirá la obtención de plantas de interés, altamente productoras y brindará la posibilidad de ampliar el espectro de sustancias muchas de las cuales pueden ser compuestos novedosos.
Los aspectos recogidos en esta reseña muestran las desventajas y ventajas que brinda el cultivo in vitro así como la necesidad de desarrollar nuevas estrategias que permitan implementar los procesos de obtención de metabolitos secundarios en plantas con aplicación comercial.
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