Sekundární metabolity
rostlin
Definice
Příklady a využití
Biotechnologie
Primární metabolity
sloučeniny, které jsou nutné při základních procesech,
které udržují rostliny při životě
(stavba těla a metabolismus)
nukleové kyseliny (NK)
uhlohydráty (sacharidy, polysacharidy)
bílkoviny
lipidy
Sekundární metabolity
* rostlinami produkované sloučeniny, které
nejsou nezbytné pro základní životní funkce
* jejich biosyntéza navazuje na primární
metabolismus a jejich význam není vždy jasný
Primární metabolismus Sekundární metabolismus
H2O, CO2, energie
sacharidy
glykolýza pentóz. cyklus
polysacharidy
glykosidy
saponiny
fosfoenolpyruvát
NK
erytrosa-4-P
pyruvát
Ac~S-KoA
Krebsův cyklus H2O, CO2
mastné kyseliny
(lipidy)
bios. aromat.
kruhu
aminokyseliny
(bílkoviny)
fenolické látky
lignin, třísloviny
kumariny, fenoly
alkaloidy, aminy
antibiotika
flavonoidy
terpeny, steroidy, karotenoidy
glykolýza pentóz. cyklus
Krebsův cyklus
Některé skupiny sekundárních metabolitů
(Harborne 1993)
druh přibližný počet
antibiotika 6 000
alkaloidy 10 000
flavonoidy 4 000
saponiny 600
monoterpeny 1 000
seskviterpeny 3 000
Funkce sekundárních metabolitů
1. ekologická:
chemická ochrana proti mikroorganismům
(baktericidní účinky, fungicidní účinky)
chemická ochrana proti živočichům - repelentní efekt
(hořká chuť, zápach, toxicita)
2. regulační
3. produkty detoxikačního metabolismu
Využití sekundárních metabolitů
průmysl:
farmaceutický
(25% léčiv)
potravinářský
kosmetický
zemědělství
barviva a vonné látky
antibiotika, cytostatika,
kardiaka, diuretika
insekticidy, herbicidy
z intaktních rostlin
* úbytek rostlin na přírodních stanovištích
* závislost obsahových látek na vnějších podmínkách (klima,
minerální výživa, ozářenost, dostupnost vody) = kolísání
obsahu a nebezpečí znečištění
Nevýhody získávání sekundárních metabolitů
chemickou syntézou
* často obtížné a drahé
* výsledkem chemických syntéz = směs izomerů
snaha o biotechnologickou produkci
Využití tkáňových a buněčných kultur
pro produkci sekundárních metabolitů
množení rostlin - nahrazuje úbytek z přírodních lokalit
produkce sekundárních metabolitů in vitro
kalusy
buněčné suspenze
kultury orgánů
Výhody 1. řízené prostředí bez klimatických vlivů
2. absence mikroorganismů a škůdců
3. možnost selekce produktivních linií
4. automatizace (bioreaktory) - definovaná kvalita,
pokles výrobní ceny, kontinuální produkce
Obecná metodologie biotechnologických postupů
pro produkci SM (ZENK 1978)
plané nebo pěstované rostliny
vysoce produktivní rostliny
primární kalus
stabilní produktivní klony
optimální podmínky
masová kultura v bioreaktorech
výběr
iniciace kultury
selekce klonů
optimalizace kultury
zvětšení objemu
Vinca rosea, barvínek z Madagaskaru
vincristin a vinblastin
antikancerogeny
kalusové linie Vinca rosea
variabilita mezi liniemi
Schéma bioreaktoru
Laboratorní bioreaktor
Průmyslový bioreaktor
v roce 2005 největší
automatický provzdušňovaný
bioreaktor pro pěstování
rostlinných buněk a orgánů
na světě
pracovní objem každého
tanku 20 000 l (20 tun)
celkový objem 160 000 l
(160 tun)
Foto: Sung Ho Son
VitroSys Inc., Korea
digoxin
digitoxin
SM produkované buněčnými nebo orgánovými kulturami
alkaloid ajmalicin Catharanthus roseusantihypertensivum
zlepšení cirkulace v mozku
berberin antimikrobiální Coptis japonica
artemisininseskviterpen antimalarikum Artemisia annua
alkaloid
taxol cytostatikum Taxus brevifolia
codeine,
morphine
Papaver somniferumalkaloid
alkaloid atropin
scopolamine
Atropa bella-donna
glykosid
diterpen
Digitalis lanatakardiotonikum
Struktura paclitaxelu (taxolu) - Taxus brevifolia, T. baccata
léčení karcinomu vaječníků a plic, přírodní zdroje omezené,
nelze syntetizovat chemicky - má 10 stereocenter
Materiál Specifická biosynt. rychlost Prům. obsah
(% sušiny)
kůra dosp. stromů
(100leté stromy) 4.70 x 10-6
mg/g/den 0.017
Taxus plantáž
(4leté stromy) 0.34 x 10-6
mg/g/den 0.005
Taxus susp. kultura 640 x 10-3
mg/l/den 0.200
Taxomyces andreanae 400 x 10-6
mg/l/den Produkce
paclitaxelu
u stromů, buněčných a houbových kultur
Buněčná kultura může produkovat paclitaxel rychleji
a může tak být cestou pro jeho produkci.
produkce SM není zatím (až na výjimky)
komerčně úspěšná
Nevýhody tkáňových a buněčných kultur
pro produkci sekundárních metabolitů
1. nízká produkce SM x vysoké náklady
2. absence SM v buněčných kulturách (narozdíl od
mateřských rostlin nebyly SM u mnoha kalusových a
buněčných kultur zjištěny. Produkce SM začíná až
při tvorbě kořenů nebo prýtů či při embryogenezi =
nutnost diferenciace pletiv
Důvody absence SM v buněčných kulturách
* přesun prekurzorů do primárního metabolismu
* suprese nebo redukce exprese klíčových enzymů biosyntézy
* nedostatek vhodných skladovacích míst, jako sekreční buňky,
dutiny nebo váčky, latexová pletiva nebo žlaznaté trichomy,
které se vyskytují pouze v diferencovaných pletivech
Produkce pigmentů
* Některé buněčné kultury akumulují vysoké koncentrace
pigmentů
* Např. kultura Lithospermum erythrorhizon produkuje
červený pigment šikonin, používaný v kosmetice (barvení
rtěnek)
* Jiné buněčné kultury produkují anthocyaniny, červené nebo
modré flavonoidy, které mohou být použity jako přírodní
barviva pro potraviny
Kalusy Oxalis reclinata jsou při kultivaci na světle žluté, ale po přenosu
ze tmy na světlo začínají produkovat červené pigmenty anthocyaniny.
Rozdíly v produkci anthokyanů na světle a ve tmě
Elicitace
Určité sekundární metabolity, fytoalexiny, jsou akumulovány
v rostlinách po infekci mikroorganismy.
Tyto látky mají antimikrobiální aktivitu a tak fungují jako
chemická ochrana rostlin.
Sloučeniny podporující tvorbu fytoalexinů byly nazvány elicitory a
proces produkce fytoalexinů elicitace.
Akumulace fytoalexinů může být indukovaná rovněž různými
stresovými faktory: UV- radiace, expozice chladu nebo horka,
ethylen, fungicidy, antibiotika, soli těžkých kovů, vysoká
koncentrace solí.
elicitor
rozpoznání elicitoru
syntéza enzymu
syntéza fytoalexinu
Elicitace SM v kulturách in vitro
sanguinarinPapaver somniferumBotrytis
Colletotrichum
Verticillium
Altenaria
ajmaciline
catharanthin
Catharanthus roseusPhytium
aphanidermatum
akridon. expoxidyRuta gravolenshoubové homogenáty
glycollinGlycine maxPhytophthora
megasperma
ProduktDruhElicitor
Biokonverze
Kultury rostlinných buněk obsahují enzymy, které mohou
katalyzovat velký počet reakcí.
Výhodou aplikace rostlinných enzymů při biosyntéze je, že jsou
tak produkovány čisté stereochemické látky
(a ne směsi izomerů jako při chemické syntéze).
Biokonverze - postup, při kterém se používají buněčné kultury,
kterým se přidá prekurzor a v průběhu kultivace dojde k jeho
přeměně na žádaný sekundární metabolit.
= levnější než biosyntéza SM od počátku
Biokonverze
Přidávání prekurzoru k suspenzím (feeding a precursor), který
je levný a dostupný může zvýšit výnos sekundárních
metabolitů. Prekursor je zpracován stejnými metabolickými
drahami jako v intaktní rostlině.
Někdy ale buněčné kultury mění prekurzor na nové sloučeniny,
které se v rostlině nenacházejí.
Příklad biokonverze v buněčné kultuře:
Koniferin je přidáván k suspenzní kultuře Podophyllum hexandrum a je
produkován podophyllotoxin.
Podophyllotoxin se používá k výrobě protirakovinných léčiv.
Imobilizace buněk
upevnění do inertního materiálu
1. aktivní = uzavírání do polymerů
(alginát, agar, polyakrylamid, želatina)
2. pasivní = vcestování a usazení buněk na nosiče
(polyuretan - molitan)
Využití transgenoze pro tvorbu SM
při produkci SM v kořenech rostlin
indukce tvorby kořínků pomocí Agrobacterium rhizogenes
z Agrobacterium tumefaciens
pro zvýšení produkce prýtů - vnášení genu ipt nebo pro auxiny
Nicotiana rustica, Datura stramonium
Mentha