ESTRATEGIA PARA MEJORAR LA PRODUCCIÓN DE METABOLITOS SECUNDARIOS EN PLANTAS

Soledad García-Morales*, Janet María León-Morales*

CIENCIA UANL / AÑO 24, No.106, marzo-abril 2021

Los metabolitos secundarios son compuestos de bajo peso molecular que no tienen una función reconocida en los procesos esenciales para la vida, pero son importantes para la sobrevivencia de las plantas que los producen debido a su participación en las interacciones con el medio ambiente. Estos metabolitos son acumulados diferencialmente en los órganos de la planta (hojas, raíces, flores, frutos, semillas o corteza), en diferentes etapas de crecimiento (geminación, vegetativa, reproductiva y madurez) y bajo condiciones ambientales específicas. Algunos metabolitos secundarios tienen un papel ecológico específico, como los pigmentos en flores y frutos que actúan como señales visibles para atraer insectos y pájaros para la polinización y dispersión de las semillas; otros le proporcionan soporte estructural a la planta o le brin- dan protección contra la exposición directa a la radiación UV y la fotooxidación, representando una ventaja adaptativa de las plantas terrestres.

Otra función importante de los metabolitos secundarios es su participación como parte de la defensa química de las plantas contra herbívoros, insectos, virus, hongos, bacterias y otras plantas. Muchos de estos compuestos son producidos de forma constitutiva, otros pueden requerir modificación enzimática para su activación, o su producción puede ser inducida en presencia de un patógeno en específico (Wink, 2018).

ORIGEN BIOSINTÉTICO, FUNCIONES Y ACTIVIDADES BIOLÓGICAS

La biosíntesis de metabolitos secundarios involucra múltiples genes, enzimas y rutas, lo cual representa un costo energético para las células vegetales, resaltando la importancia funcional de estos compuestos para las plantas. Los metabolitos secundarios presentan una gran diversidad estructural y se pueden clasificar de acuerdo a su origen biosintético en:

Terpenos: son derivados de la unión de dos moléculas precursoras de cinco carbonos (5 C), el dimetilalil pirofosfato y el isopentenil pirofosfato, y se dividen de acuerdo con el número de carbonos en mono-(10 C), di-(20 C), sesqui-(15 C), tri-(30 C) y tetra-terpenos (40 C). Los monoterpenos son componentes mayoritarios de los aceites esenciales, como el mentol en la menta (Mentha spicata) y el lavandulol en el aceite de lavanda (Lavandula augustifolia), este último usado comúnmente en perfumes. En este grupo de compuestos también se encuentra el potente fármaco antimalárico artemisina, un sesquiterpeno aislado de Artemisia annua. Los diterpenos se encuentran como componentes característicos de las resinas, como el agente antimitótico paclitaxol, aislado de la corteza de árboles del género Taxus spp. y usado para el tratamiento del cáncer de mama. La azadiractina es un triterpeno aislado de semillas del árbol del neem (Azadiracta indica) con potente actividad antialimentaria, el cual es usado como componente activo de formulaciones insecticidas. En este grupo también se encuentran las saponinas, triterpenos glicosilados, con actividad antifúngica reconocida (figura 1). Los carotenoides, que le confieren la coloración amarilla-naranja a flores y frutos, son un ejemplo de tetraterpenos (Singh y Sharma, 2015).

Figura 1. Ejemplos de terpenos (cantalosaponina 1), alcaloides (vincristina) y flavonoides (florizina) producidos en plantas.

Policétidos: son resultado de la unión de unidades de acetato (2 C). La combinación de la ruta del acetato y la ruta del ácido shiquímico son responsables de la biosíntesis de estructuras fenólicas (Yu y Jez, 2008). La hipericina, una naftodiantrona producida por la hierba de San Juan (Hypericum perforatum) destaca por su actividad antiviral (anti-VIH). Otros metabolitos sintetizados por esta vía son los urushioles, compuestos responsables de la dermatitis por contacto causada por varias especies del género Anacardiaceae, así como la hiedra venenosa y el roble venenoso.

A pesar de que existen pocas moléculas precursoras, la vasta cantidad de metabolitos secundarios se debe a que muchos son sintetizados por más de una vía y a que el esqueleto básico puede sufrir diferentes modificaciones, como la adición de carbohidratos. Un ejemplo son los canabinoides de Cannabis sativa, un grupo de compuestos terpenfenólicos, conteniendo una unidad de monoterpeno unido a un anillo fenólico que proviene de la unión de unidades de acetato (2 C). El tetrahidrocanabinol alivia las naúseas y el vómito en pacientes bajo quimioterapia y en el tratamiento de glaucoma y esclerosis múltiple (Goncalves et al., 2019).

Fenilpropanoides: provienen de la ruta del ácido shiquímico, que provee una ruta alternativa a la del acetato para la síntesis de compuestos aromáticos. Los aminoácidos fenilalanina y tirosina son la base de la unidad fenilpropano (6 C-3 C), precursora de este grupo, en el que se incluyen los ácidos fenólicos, lignanos y cumarinas; mientras que, en combinación con la ruta del acetato, resulta en la biosíntesis de flavonoides, estilbenos y flavanolignanos (Yu y Jez, 2008).

Un ejemplo de este grupo son los galotaninos, polímeros de ácido gálico que le dan la astringencia a bebidas como el café, el té y el vino, y que han sido usados ampliamente en el proceso de curtido de pieles animales debido a su capacidad de formar complejos con las proteínas, aumentando la resistencia de la piel al calor y evitando su descomposición por el agua o microorganismos.

Los flavonoides son una de las clases más grandes de compuestos fenólicos (figura 1). Los diferentes tipos de flavonoides realizan diversas funciones en la planta, incluida la pigmentación, protección contra la radiación UV y de defensa. La quercetina y la luteolina son los principales flavonoides en frutos de pimiento (Capsicum annuum L.), encontrándose en mayor cantidad en el pimiento rojo y contribuyen a la actividad antioxidante de los extractos.

Alcaloides: son metabolitos que contienen en su estructura uno o más átomos de nitrógeno básico proveniente de los aminoácidos o purinas. Se clasifican de acuerdo con el aminoácido que proporciona el nitrógeno y la porción fundamental del esqueleto. Sin embargo, en algunos alcaloides también se incorporan moléculas precursoras de los grupos anteriores (acetato, isopreno y fenilpropano).

En las plantas, los alcaloides sirven como agentes antiherbivoría, debido a que muchos de ellos tienen un sabor astringente. Por otro lado, en mamíferos exhiben diferentes efectos fisiológicos potentes, y han sido usados por el humano en ritos y en la medicina tradicional. Ejemplos de alcaloides comunes incluyen la cafeína, la quinina y la nicotina; mientras que dentro de los alcaloides conocidos como narcóticos o estimulantes del sistema nervioso central se encuentran la cocaína, la morfina y la estricnina.

Los metabolitos de este grupo también destacan por sus diversas actividades farmacológicas, como la camptotecina, un alcaloide quinolínico aislado de la corteza del árbol de la alegría (Camptotheca accuminata), cuyo derivado es el principio activo de un fármaco para el tratamiento del cáncer de ovario. Otros ejemplos exitosos son la vinblastina y la vincristina, alcaloides indólicos de la vinca (Catharanthus roseus) usados en el tratamiento de linfomas y leucemia infantil aguda, respectivamente (figura 1). El alcaloide papaverina, obtenido del látex de la amapola (Papaver somniferum), se destaca por su efecto vasodilatador y es usado de forma oral para el tratamiento de la disfunción eréctil. Por último, dentro de los alcaloides isoquinolínicos, la berberina destaca por su actividad antibacteriana y ha sido aislada de varias especies vegetales (Kutchan, 1995).

ELICITORES PARA INDUCIR LA BIOSÍNTESIS DE METABOLITOS SECUNDARIOS

Las plantas producen una gran diversidad de metabolitos secundarios (más de 200,000 conocidos actualmente), también denominados productos naturales, los cuales son una fuente importante de fármacos, aditivos alimenticios (saborizantes y pigmentos) y productos agroindustriales. Dentro de las limitantes para el aprovechamiento de estos recursos están la poca disponibilidad de material vegetal de forma silvestre, que su producción en las plantas no es constante a lo largo de su ciclo de vida y que su biosíntesis también puede variar dependiendo de las condiciones ambientales en las que crezca la planta. Por lo que se han desarrollado diferentes estrategias como la síntesis química, el cultivo de tejidos vegetales (bajo condiciones controladas), el cultivo hidropónico (solución nutritiva sin suelo), el uso de elicitores o la combinación de algunas de estas técnicas para mejorar su producción.

Los elicitores son compuestos de diferentes fuentes, que en pequeñas cantidades pueden inducir cambios fisiológicos en un organismo vivo, y se clasifican en bióticos y abióticos. Los elicitores bióticos incluyen componentes o partes de hongos, bacterias o herbívoros; mientras que los elicitores abióticos se agrupan en factores físicos (luz, sequía, salinidad, estrés osmótico y térmico), químicos (compuestos inorgánicos o iones metálicos) y hormonales (Isah, 2019). En las plantas, los elicitores también pueden inducir la biosíntesis o acumulación de metabolitos secundarios que tienen un papel importante en la adaptación de las plantas a diferentes condiciones de estrés. En la tabla I se muestran algunos ejemplos de elicitores usados comúnmente para inducir la síntesis de metabolitos secundarios en plantas.

En los últimos años, la elicitación ha sido una estrategia biotecnológica ampliamente usada para inducir la biosíntesis de compuestos bioactivos en sistemas de cultivo in vitro de células, órganos y plantas. Los estudios se han enfocado en analizar el tipo de elicitor, la dosis y la frecuencia de aplicación para inducir vías metabólicas específicas que dan como resultado la producción de los metabolitos secundarios de interés. Diferentes investigaciones en plantas cultivadas indican que el tiempo de exposición, la variedad vegetal, la edad, la fertilización y la etapa del cultivo también son factores importantes que influyen en la producción exitosa de biomasa y la acumulación de metabolitos secundarios.

Tabla I. Lista de los diferentes tipos de elicitores de defensa en plantas.

ELEMENTOS BENÉFICOS COMO ELICITORES PARA INDUCIR LA BIOSÍNTESIS DE METABOLITOS SECUNDARIOS

Los elementos benéficos no son esenciales para que las plantas puedan completar su ciclo de vida, pero pueden promover el crecimiento e incrementar la resistencia de las plantas a diferentes tipos de estrés, incluyendo la inducción del metabolismo secundario (Vatansever et al., 2017). En esta temática, actualmente se están evaluando el selenio (Se), el vanadio (V), el cerio (Ce) y el silicio (Si) como elicitores químicos para incrementar la biosíntesis y acumulación de compuestos fenólicos y furanocumarinas en cultivos hortícolas y plantas medicinales.

Mediante el uso de sistemas hidropónicos, se están evaluando diferentes concentraciones de Se y V sobre el crecimiento de perejil, así como diferentes tiempos de exposición para incrementar la producción de psoraleno (furanocumarina) y evaluar su actividad antimicrobiana contra diferentes fitopatógenos (figura 2).

Figura 2. Uso de selenio (Se) y vanadio (V) para incrementar la biosíntesis de furanocumarinas (psoraleno) en perejil.

En pimiento, tomate y caléndula crecidas en sustrato bajo condiciones de invernadero, se están estudiando diferentes concentraciones de Se, V, Ce e I, tiempo de exposición y etapas de cultivo para aumentar la biosíntesis de flavonoides como una estrategia para producir alimentos nutracéuticos con mayor contenido de compuestos antioxidantes (figura 3).

Figura 3. Los elementos benéficos como elicitores para incrementar la biosíntesis de flavonoides (quercetina y apigenina) en pimiento y caléndula.

El contenido de compuestos fenólicos (incluyendo flavonoides) incrementó en hojas de pimiento al aplicar V (153-510 mg L-1) y Se (397-1589 mg L-1) semanalmente a las raíces. Este efecto positivo fue dependiente de la concentración y correspondió con un incremento en el crecimiento de las plántulas (Saldaña-Sánchez et al., 2019). El Si también estimula la acumulación de compuestos fenólicos en las raíces de plántulas de tomate, dependiendo del cultivar (Shi et al., 2014). Estos metabolitos secundarios forman parte de la defensa antioxidante de las plantas, ayudando a contrarrestar los efectos del estrés oxidativo y su acumulación es fuertemente influenciada por las condiciones medioambientales.

Además de los compuestos fenólicos, estos elementos benéficos inducen otras vías metabólicas, incluyendo metabolitos secundarios característicos de algunos géneros o familias de plantas, como los tanshinones (diterpenos) en el género Salvia y glucosinolatos en la familia Brassicacea (Schiavon et al., 2016; Zhou et al., 2011). Estos metabolitos secundarios tienen importantes actividades farmacológicas reportadas, como actividad anticancerígena, y se han estudiado sus diferentes mecanismos moleculares y celulares. Por lo que la estrategia de elicitación con elementos benéficos es una alternativa importante para incrementar la producción de estos compuestos de interés farmacológico (tabla II).