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Diferenciación Celular y Biosíntesis de Metabolitos Secundarios

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LA AGREGACIN CELULAR EN LA PRODUCCIN DE METABOLITOS SECUNDARIOS EN CULTIVOS VEGETALES IN VITRO

Jess Augusto Rivera Hctor Andrs Muoz Fabio Jos Salazar

METABOLITOS SECUNDARIOSPlantas silvestres o cultivadas

frmacos, pesticidas, colorantes, saborizantes ,fragancias, etc.

Su acumulacin en las plantas es baja y lenta, ya que est regulada espacial y temporalmente.

En el caso de plantas silvestres, su explotacin comercial est basada en la recoleccin de material en su hbitat natural, frecuentemente incluyendo la raz.

Taxol

1kg de Taxol, 1000 rboles de Taxus brevifolia L1g de vinblastina, media tonelada de hojas Catharanthus roseus

vinblastina

Catharanthus roseus

Taxus brevifolia L

Biotecnolgica

PRODUCCION

Metabolitos Secundarios

40 AOS INVESTIGACIN DESARROLLO TECNOLGICO

EXITOS

Produccin SHICONINA clulas de Lithospermum erythrorhizon TAXOL Taxus spp.

TOTIPOTENCIA CELULAR

Obtener cultivos de clulas no Diferenciadas, como callos y Suspensiones Selulares, y adems rganos como brotes y races.

Clulas no diferenciadas

Clulas diferenciadas

Mayores velocidades de crecimiento

rganos (races y brotes)

Ventajas para el desarrollo, control y manipulacin de procesos a escala industrial.

DIFERENCIACION

1)el desarrollo de organelos como los plstidos (cloroplastos) o vacuolas. 2) la formacin de pared celular secundaria. 3) la organizacin de las clulas para constituir los diferentes tejidos y rganos de la planta. 4) la especializacin para la biosntesis y/o acumulacin de metabolitos.

La produccin y acumulacin de metabolitos secundarios es una expresin de un estado particular de diferenciacin celular, el cual es influenciado por un nmero de factores

Diferentes clases de metabolitos secundarios

Diferentes grados de diferenciacin celular

Alternativa suspensin celular

Sistemas invitro diferenciados (brotes y races)

Seleccin de lineas celulares con agregados de mayor tamao y agregados especializados

Diferenciacin Celular y Biosntesis de Metabolitos Secundarios: Los Alcaloides IndlicosPara ver la estrecha relacin entre la biosntesis de un metabolito secundario y la diferenciacin celular en las plantas, se presenta el caso de los alcaloides indlicos

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

se caracterizan por la presencia de los ncleos indlico e iridoide, los cuales provienen de la triptamina y la secologanina

La biosntesis de los alcaloides indlicos es sumamente compleja y todava no se conocen todas las enzimas involucradas, ni los mecanismos que regulan su biosntesis

Enzimas involucradas en la biosntesisLa distribucin celular de algunas de las enzimas involucradas en la biosntesis de los alcaloides indlicos ha sido estudiada en plantas de C. roseus

triptfano descarboxilasa (TDC) estrictosdina sintasa (STR) se localizan en las clulas epidrmicas de tallos, hojas y botones florales, y en el protodermo y clulas corticales que rodean el meristemo apical de la punta de las race

desacetoxivindolina-4-hidroxilasa (D4H). acetilvindolina 4-O-acetiltransferasa (DAT). estn restringidas a clulas especializadas conocidas como laticferas e idioblastos de hojas, tallos y botones florales

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

Zonas tardas de la biosntesis de vindolina Lo anterior muestra en su conjunto que la biosntesis requiere clulas de diferentes tipos y con determinadas caractersticas

al interior de la clula tambin existe una compartamentalizacin de la ruta de biosntesis La triptamina, el precursor indlico, es sintetizada en el citosol su condensacin con la secologanina, el precursor iridoide, tiene lugar en la vacuola

La Agregacin Celular como Alternativa para la Acumulacin de Metabolitos Secundarios en Cultivos In VitroLas suspensiones vegetales estn formadas por clulas meristemticas, es decir clulas no diferenciadas, que no se separan despus de la divisin y forman agregados multicelulares de diferente tamao y forma

a) Agregados de Uncaria tomentosa b) suspensin celular con agregados de distinto tamao c) agregado no-morfognico. d) agregado morfognico

La tendencia natural a agregarse est regulada por la cohesividad de la pared celular y permite la comunicacin clula-clula Las suspensiones celulares son un sistema in vitro utilizado ampliamente en investigacin por ser el ms prctico para el cultivo a gran escala y presenta mltiples ventajas para el controlPara lograr las mejores condiciones de transferencia de masa se prefieren las suspensiones celulares formadas por clulas individuales o agregados pequeos

Las clulas que conforman una suspensin fina son relativamente similares y resulta difcil que en cada una de ellas se lleven a cabo todos los procesos sntesis de intermediarios, condensacin, transporte y acumulacin

La influencia de la agregacin y el tamao de los agregados celulares en la acumulacin de metabolitos secundarios se han estudiado en varias especies, tanto en matraz como en biorreactor

Estos agregados se caracterizan por medir varios milmetros e incluso centmetros de dimetro; son esfricos, de superficie lisa, cohesivos y presentan cierto grado de diferenciacin celular o tisula

En condiciones ptimas, las clulas que los conforman pueden proliferar sin perder su integridad

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

Tamao de los Agregados y Procesos de Transferencia de MasaEl tamao de los agregadosTransferencia de masa

nutrientes, iluminacin, O2 y otros factores microambientales

Este parmetro se define como el dimetro mximo para la respiracin ilimitada a travs del agregado y se calcula la ecuacin

Como donde dcrit : dimetro crtico, De : coeficiente de difusin efectiva de O2 (m2s-1), cs : concentracin de O2 en la superficie del agregado (molm-3), ceq : concentracin de O2 en el equilibrio (molm-3), y OUR: velocidad de consumo de O2 (molm-3).

Agregacin y MorfognesisSe ha intentado determinar si la agregacin celular de los cultivos in vitro implica un proceso de diferenciacin celular

Agregados compactos

Estructuras morfognicas

Produccin de metabolitos secundarios.

Combinacin de la Agregacin con otras EstrategiasEn cultivos de CCA de R. rosea se estimul la produccin de rosina y rosavina mediante la biotransformaci n del cinamilalcohol

seleccin de lneas celulares, la elicitacin o la adicin de precursores

agregados como bio-transformadores.

Bibliografa Este trabajo fue financiado por la Secretara de Investigacin y Posgrado del IPN (Proyecto SIP 20070118). Los autores son becarios COFAA y EDI.

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