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Ingeniería metabólica

Ingeniería metabólica
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Campo al que perteneceBiología

La Ingeniería metabólica estudia todas las reacciones involucradas en el metabolismo de las plantas y sus enzimas reguladoras. Las plantas utilizan un lenguaje químico para interrelacionarse con otros seres vivos con los que coincide espacial y temporalmente. Los compuestos que median dichas interacciones se denominan aleloquímicos y pertenecen al grupo de los denominados metabolitos secundarios, productos naturales sintetizados por las plantas que no son considerados "esenciales" para los procesos básicos de vida (en contraste con el metabolismo primario). Los avances recientes en el campo de la biotecnología vegetal y el uso de herramientas como la proteómica, permiten establecer estrategias eficientes para la obtención de metabolitos de interés comercial.

Definición de algunos términos

Metabolismo: Es el conjunto regulado y coordinado de reacciones químicas que tienen lugar en un organismo vivo, cada una catalizada por una enzima específica. Una vía metabólica es el conjunto de reacciones que lleva a la síntesis o degradación de una biomolecula dada, en tanto que un metabolito es un intermediario en una vía metabólica. El metabolismo es la suma del anabolismo (conjunto de las vías de síntesis, que requieren energía) y del catabolismo (conjunto de las vías de degradación, que permiten obtener la energía necesaria para poder llevar a cabo las vías de síntesis).

  • Metaboloma: El conjunto de vías metabólicas que ocurren en una célula, tejido u organismo, incluyendo su interrelación y regulación.
  • Metabolómica: Rama de la biología que se dedica al estudio del metaboloma incluyendo los métodos y técnicas específicas que se usan con este objetivo.
  • Proteoma: El conjunto de proteínas que se están expresando en un momento dado, en una célula, tejido u organismo. El proteoma puede considerarse como dinámico si se compara con el genoma pues varía con el tiempo y/o con diferentes estados fisiológicos o patológicos específicos.
  • Proteómica: Rama de la biología que se dedica al estudio del proteoma incluyendo los métodos y técnicas específicas que se usan con este objetivo.

En la practica la utilización de la energía metabólica para acrecentar la producción de metabolitos secundarios en las plantas es un tecnología de avanzada muy útil para el incremento de los rendimientos de metabolitos secundarios por unidad de masa de droga seca a industrializar.

Ingeniería Metabólica

La ingeniería genética de plantas y células de plantas es factible en los días de hoy, métodos tales como la transformación del agrobacterium y el éxito silencioso de la pistola de partículas para la introducción de nuevos genes en plantas. Pudiera esperarse que fuera posible modificar también el metabolismo secundario de las plantas, se pueden considerar numerosas posibilidades para lograr esto.

  1. Incrementando el flujo a través de las rutas, por incremento de la actividad de las enzimas que catalizan los pasos límites. Esto pudiera lograrse utilizando la codificación genética para que la enzima particular de la misma planta o el gen de otra planta u organismo codifique una enzima con funciones similares. Aun la construcción de nuevas y más eficientes enzimas (Ingeniería proteica) puede ser considerada, Ej. Enzimas que no sean sensibles a la inhibición de la retroalimentación.
  2. Expresión constitutiva de la regulación de los genes (o parte de) una ruta de metabolitos secundarios.
  3. Bloqueo competitivo de rutas metabólicas Ej. Competencia por un mismo interés por el C5 de los bloques de la construcción (isoprenoides) en caso de los terpenoides de los alcaloides indolicos y antraquinonas.
  4. Bloqueo del catabolismo de un producto deseado.

El primero de los enfoques requiere genes sensibles, los cuales tengan una proteína activa, unido a la maquinaria biosintética de trabajo en una similar manera como a la planta no transformada o célula de planta, pero con un flujo más grande de carbono hacia el producto deseado. Los dos siguientes enfoques requieren de la eliminación del antisentido de los genes que bloqueen determinados pasos en una ruta. Ambos el sentido y el antisentido son la vía de entrada de genes en el cambio de color de las flores.

La mayor restricción para la ingeniería metabólica de producción de metabolitos secundarios de plantas es la falta de conocimiento sobre el metabolismo secundario y como se regula este.

La mayoría de las rutas de los metabolitos secundarios han sido poco estudiadas, casi únicamente se han hecho las rutas propuestas para la introducción de varios intermediarios. El conocimiento sobre el nivel de enzimas es en la mayoría de los casos falta y consecuentemente la codificación de los genes paso fundamental para el metabolismo secundario o genes reguladores, parte de las rutas no conocidas, además para ser capaces de aplicar la ingeniería metabólica con éxito se deben estudiar en detalle el nivel necesario de productos y enzimas involucradas.

Para el sistema modelo de los alcaloides por ejemplo la primera parte del proceso es la misma, todos ellos llegan hasta la estrictosidina como intermediario más importante desde el cual parte una variedad de 3000 índoles y alcaloides relacionados como derivados.

Estrategias para incrementar la producción de metabolitos secundarios

Las plantas producen una amplia variedad de metabolitos secundarios. Estos compuestos los cuales varían para cada tipo de plantas con el medio ambiente, Ej. Las sustancias que atraen los polinizadores, los anticomestibles ante los depredadores o compuestos activos como antimicrobianos (fitoalexinas) contra los patógenos.Los metabolitos secundarios juegan un importante papel en las plantas ornamentales y alimentarías Ej. Olor, gusto, sabor y color.

Los metabolitos secundarios de las plantas son un rasgo importante en conexión con la cría de las plantas. Muchos metabolitos secundarios de las plantas son usados como sustancias químicas finas Ej. Como medicamentos, colorantes, insecticidas, fragancias y sabores. Un gran número de estos productos son derivados de plantas raras, lo cual entre otras razones lleva a investigar métodos de producción biotecnológicos para tales especialidades químicas. El taxol es un ejemplo. El cultivo de células de plantas provee de una suerte de alternativa de acercamiento a la producción de metabolitos secundarios de plantas. Años atrás todas las plantas útiles económicamente han sido sometidas a cultivo de tejidos, sin embargo, en la mayoría de los casos las productividades encontradas son bajas para hacer el proceso factible económicamente. Las investigaciones ahora se centran en la posibilidad de incrementar la producción de los metabolitos secundarios en células de plantas.

Discutiremos algunos aspectos de la, biotecnología de las células de plantas:

  • Factibilidad tecnológica y económica.
  • Aproximación a los métodos usados para incrementar la producción.
  • Prospección de procesos de ingeniería metabólica para el incremento de los rendimientos.
  • El sol y la regulación de los metabolitos secundarios.

Lo anterior se puede ilustrar con investigaciones realizadas sobre el Cataranthus roseus, (vicaria) y sobre la Quina roja (Cinchona). El Cataranthus roseus es una fuente de ajmalina, usado como un medicamento que incrementa la circulación cerebral y los alcloides dimericos vinblastina y vincristina, dos importantes medicamentos antitumorales.

Desde la corteza de la quina se extraen los alcaloides derivados de la quinolina (quinina), usado como medicamento antimalarico y agente amargo en bebidas y quinidina un medicamento antiarritmico.

Ambas son derivados de la misma ruta biosintética como se menciona previamente, mencionando los alcaloides terpenoides indolicos, en los que la estrictosidina es un importante intermediario.

Cultivo a gran escala

Los microorganismos están usualmente conectados con la producción biotecnológica. Por supuesto esto suscita la pregunta en todo caso de cómo es posible producir metabolitos secundarios de plantas con microorganismos transgénicos. En teoría la respuesta es si, sin embargo en la práctica esto no es posible. Es posible expresar genes de plantas en microorganismos, pero en caso de las complejas rutas biosintéticas de los metabolitos secundarios de plantas se necesita expresar un gran número de genes en el microorganismo, genes los cuales en la mayoría de los casos no se conocen. Por otra parte, en las plantas las rutas secundarias son reguladas entre otras a través de la compartimentación. Ej. La 1era etapa en los plastidios, la siguiente etapa en le citosol y la etapa final en la vacuola. En algunos casos se involucran cedulas diferentes. Todas estas situaciones no pueden ser realizadas por un microorganismo. Únicamente en casos de bioconversión que involucran uno o dos pasos pueden ser los microorganismos transgénicos una alternativa, por lo tanto los esfuerzos principales se han centrado en los cultivos de células de plantas como posible sistema de producción.

Bibliografía

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  • Ingeniería Genética y transferencia génica M. Izquierdo. Ed. Pirámide. Madrid 2001.
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  • Ingeniería Genética J. Perera, A. Tormo y JL. García. Editorial Síntesis 2002.