La tecnología de biosíntesis de células madre vegetales promueve el rápido desarrollo de la industria de pesticidas botánicos

Las plantas son ricas en carbohidratos, proteínas, grasas y otros nutrientes, así como en una gran cantidad de metabolitos secundarios. Tienen una larga historia de aplicación en medicina, especias, tintes, pigmentos, pesticidas, aditivos alimentarios y otros campos [1]. Durante mucho tiempo, los recursos vegetales se han convertido en una fuente importante de alimentos y medicinas para la supervivencia humana. Los metabolitos secundarios vegetales son una amplia clase de compuestos orgánicos de pequeño tamaño molecular que no son necesarios para el crecimiento y desarrollo de las plantas, pero desempeñan un papel importante en su resistencia al estrés, a enfermedades y a plagas.

En la actualidad, los metabolitos secundarios de las plantas reportados incluyen principalmente alcaloides, flavonoides, aldehídos, lignanos, etc., con más de decenas de miles de especies. Algunos metabolitos secundarios se han convertido en productos comerciales con amplias necesidades sociales y un importante valor aplicativo. Por ejemplo, la artemisinina se utiliza para el tratamiento de la disentería, la shikonina como antibacteriana, la vainillina y el aceite de rosa como especias, la piretrina, la matrina y la veratrina como pesticidas, y el osthol, el carvacrol y la berberina se han utilizado ampliamente para el control de enfermedades agrícolas.

Con la investigación de nuevos tipos de plantas medicinales y la inversión en tecnología avanzada, se han descubierto cada vez más metabolitos secundarios de plantas medicinales con alta actividad biológica, y la demanda de recursos vegetales está en aumento. Además de la recolección silvestre, el cultivo artificial de plantas medicinales sigue siendo la principal fuente de materias primas. Este cultivo artificial exige altas exigencias en cuanto a semillas, suelo, condiciones climáticas, etc. Es fácil contraer enfermedades durante el cultivo, y algunas plantas medicinales requieren un largo tiempo de cultivo y altos costos de gestión. Al mismo tiempo, la contradicción entre el cultivo de plantas medicinales y el cultivo de cosechas se ha vuelto cada vez más evidente [1], y la oferta y la demanda de metabolitos secundarios vegetales de alta actividad están en tensión [2].

En la actualidad, una forma eficaz de resolver el problema de los recursos de plantas medicinales es utilizar la tecnología de biorreacción de células madre vegetales para alimentar las células individuales de plantas inducidas a gran escala e in vitro para obtener una gran cantidad de metabolitos objetivo altamente activos.

1. Concepto y desarrollo de las células madre vegetales

El cultivo de tejidos vegetales y el cultivo celular comenzaron en la segunda mitad del siglo XIX. Basándose en la teoría celular establecida por Schleiden y Schwann, el fisiólogo vegetal alemán Habedandt presentó el famoso argumento de la “Totipotencia de las Células Madre Vegetales” en 1902 [3], creyendo que las células madre vegetales tienen la capacidad de desarrollarse en plantas completas in vitro. Sin embargo, no fue hasta 1934 que White [4] estableció el primer clon en crecimiento activo utilizando raíces de tomate aisladas que el experimento de cultivo de raíces in vitro fue verdaderamente exitoso por primera vez. Veintitrés años después, Skoog y Miller [5] descubrieron que la kinetina puede promover eficazmente la división celular y la regeneración de yemas de explantos. Lo más importante es que una alta proporción de kinetina/auxina induce la formación de yemas y una baja proporción de kinetina/auxina promueve la formación de raíces. Este descubrimiento sentó las bases para la regeneración y la ingeniería celular en el cultivo de tejidos vegetales, y reveló el secreto de la regulación hormonal de la regeneración de los órganos de las plantas. Muir et al. [6] establecieron el primer sistema de suspensión de células madre vegetales utilizando callos de caléndula. Observaron con éxito que una sola célula puede dividirse en pequeños grupos celulares mediante la alimentación de callos. En 1958, Steward et al. Ese mismo año, el científico alemán Reinert [8-9] también obtuvo resultados de investigación similares. Desde entonces, tras más de 50 años de verificación continua por parte de investigadores, la totipotencia de las células madre vegetales ha sido plenamente verificada.

Fig. 1: Células madre vegetales de diferentes variedades

2. Tecnología de biorreacción de células madre vegetales

En comparación con las técnicas de cultivo convencionales, el cultivo de tejidos y células vegetales presenta ventajas significativas en la producción de metabolitos secundarios específicos de plantas medicinales. [10] A diferencia de las plantas cultivadas, la tecnología de biorreacción de células madre vegetales utiliza un sistema de producción de reactores industriales y un proceso de recuperación de apoyo, y puede operar ininterrumpidamente durante todo el año gracias a un sistema de control automático. No se ve afectada por el entorno del suelo, las condiciones climáticas ni el estrés biótico y abiótico. El entorno aséptico se controla durante todo el ciclo de cultivo, y no es necesario utilizar pesticidas para prevenir la invasión de enfermedades, insectos y malezas. Al mismo tiempo, los nutrientes básicos que proporciona la biorreacción de células madre vegetales son económicos, y la relación coste-beneficio es mayor que la de los sistemas de cultivo de células de mamíferos, insectos y levaduras.

Como células base de la biosíntesis, las células madre vegetales presentan ventajas inherentes en la síntesis de metabolitos naturales de origen vegetal. A diferencia de las bacterias, las células madre vegetales, como sistemas eucariotas, tienen la capacidad de plegar y ensamblar correctamente proteínas poliméricas. Además, pueden realizar modificaciones postraduccionales de proteínas que rara vez ocurren en muchos procariotas, lo que amplía las posibilidades de regulación de las vías biosintéticas. Las células madre vegetales no producen toxinas bacterianas durante la biosíntesis de los productos objetivo, y el sistema de síntesis es más seguro. Además, las células madre vegetales contienen una membrana interna compleja que puede expresar con éxito la proteasa clave en el proceso de biosíntesis primaria, la cual debe ubicarse en el sistema plastidial.

Tabla 1. Comparación de diferentes chasis biosintéticos

Los métodos de transformación genética de células vegetales son maduros y estables. Con el desarrollo de nuevas herramientas de edición genética, ya no es difícil regular la expresión de genes ajenos. Mediante la investigación de las vías metabólicas, los genes clave y las enzimas limitantes de la velocidad de la ruta de biosíntesis del producto objetivo pueden ser modificados genéticamente para mejorar dicha biosíntesis. La tecnología de ingeniería genética también puede utilizarse para explorar o crear artificialmente nuevas rutas biosintéticas y obtener otros metabolitos objetivo que no son capaces de sintetizarse en las variedades celulares de base. La combinación de las ventajas de las células madre con la capacidad sintética de los metabolitos objetivo aumenta significativamente la producción. Al mismo tiempo, mediante la transformación de la reacción biológica, el material precursor de bajo valor puede convertirse en el producto objetivo de alto valor. Como una forma eficaz de resolver el problema de los recursos, la tecnología de biorreacción de células madre vegetales se ha convertido en uno de los campos de desarrollo más importantes de la biotecnología moderna.

Fig. 2: Reacción biológica de las células madre vegetales

Como base de la biosíntesis, las células madre vegetales presentan ventajas únicas. Las células transgénicas o modificadas genéticamente no constituyen variedades vegetales completas y presentan menos problemas regulatorios. Sin embargo, la obtención de células madre nativas de plantas no modelo es incierta, y el complejo mecanismo de regulación de la red metabólica también plantea desafíos sin precedentes para la biosíntesis.

Tabla 2. Casos de síntesis biocatalítica de células madre vegetales [13]

3. Tecnología de biorreacción de raíces peludas de plantas

El sistema de producción más común en plantas de biorreacción de material vegetal es el cultivo en suspensión de células madre. Sin embargo, en circunstancias especiales, es posible que algunos metabolitos secundarios específicos no se produzcan en tejidos indiferenciados, o que la síntesis de algunos metabolitos secundarios vegetales dependa en gran medida de tejidos y órganos específicos. La tecnología de biorreacción de raíces pilosas ofrece otra solución. Esta tecnología consiste en utilizar Agrobacterium rhizogenes para infectar plantas y producir raíces pilosas.

Fig. 3: Biorreacción de las raíces peludas de las plantas

Esta tecnología no requiere reguladores de crecimiento externos ni fuentes de luz adicionales, crece rápidamente, presenta numerosas ramificaciones y un contenido de metabolitos secundarios específicos mucho mayor que el del cultivo en suspensión celular. La reacción biológica de la raíz pilosa también se ve afectada por factores como la composición de nutrientes, los inductores, los precursores y la manipulación genética, y se considera una de las mejores materias primas para la obtención de metabolitos secundarios vegetales.

Tabla 3. Casos de síntesis biocatalítica de raíces peludas de plantas

Actualmente, el uso de la tecnología de biorreacción de raíces pilosas como material adecuado para la biosíntesis y la transformación está ganando terreno frente a la biorreacción con cultivos de células madre vegetales. Presenta numerosas ventajas, como estabilidad bioquímica y genética, baja sensibilidad a los cambios en las condiciones de cultivo, un potencial enzimático muy similar al de las plantas progenitoras y un bajo costo.

4. Estado de desarrollo y progreso de la investigación del cultivo de células madre vegetales

• Estado de la industrialización mundial

A lo largo de los años, se ha logrado un gran progreso en la producción de ingredientes medicinales mediante la tecnología de biorreacción de células madre vegetales. Actualmente, se han estudiado más de 400 tipos de plantas que pueden producir más de 600 tipos de componentes metabólicos primarios y secundarios, de los cuales una parte considerable tiene valor medicinal, y algunos han logrado con éxito la producción industrial. Ya en 1956, Routier y Nickell, en Estados Unidos, propusieron una patente para la síntesis de productos naturales a partir de cultivos de células madre vegetales [10]. En 1983, Mitsui Petrochemical Company de Japón anunció la producción industrial de shikonina como colorante y fármaco. Además, se ha logrado la producción industrial de digoxina a partir de cultivos de células de rehmannia mediante biotransformación, cultivos de células de coptis chinensis para producir coptidina y cultivos de raíz de ginseng para producir ginsenósido. Otros cultivos celulares, como los de catharanthus roseus y perilla frutescens, también alcanzaron la etapa piloto [12]. Mediante la tecnología de cultivo de células madre de Taxus chinensis, la biosíntesis de taxol alcanzó 1045 mg/L, más de 298 veces superior a la de la planta madre. La síntesis total de glucósidos de Centella asiática alcanzó 1670 mg/g de peso seco, lo que ha satisfecho plenamente las necesidades de industrialización. Empresas como Belgium Green2chem, France Naturex y otras han utilizado activamente la tecnología de reacción biológica de raíz pilosa vegetal y han logrado la biosíntesis de más de 20 ingredientes medicinales de alto valor, como nicotina, cilimarina, paclitaxel, quinina y forskolina. En China, Newland Biology ha estudiado las microburbujas de células vegetales como medio de administración de fármacos. En 2018, la empresa completó una ronda de financiación ángel y construyó equipos de reacción biológica de células madre vegetales de más de toneladas. A principios de 2022, American Phyton invirtió 3000 millones de yuanes para iniciar la construcción de una "superfábrica" de reacción biológica de células madre vegetales de PCF en Xuzhou. Una vez finalizado, los ingresos por ventas esperados alcanzarán los 7 mil millones de yuanes.

• La biosíntesis impulsa el rápido desarrollo de la industria de pesticidas botánicos

Unos pocos pasos pueden llevarnos a mil millas. Chengdu Newsun Crop Science Co., Limitado. (en adelante, "Newsun") se ha centrado en el desarrollo de la agricultura ecológica durante más de 20 años desde su fundación y es una empresa líder en tecnología de biopesticidas botánicos del sector. Los ingredientes activos de los pesticidas botánicos son principalmente metabolitos secundarios naturales y altamente activos, que se caracterizan por su rápida degradación, buena compatibilidad ambiental y baja generación de residuos, entre otras características, en consonancia con la tendencia actual de desarrollo en materia de protección ambiental y la creciente demanda del mercado. Sin embargo, con el avance de la industrialización, el problema de los recursos de plantas medicinales pronto se convertirá en un obstáculo técnico para la aplicación de productos naturales altamente activos.

Fig. 4: Ruta básica de la tecnología de biorreacción de células madre vegetales

Newsun ha logrado avances importantes en la investigación de la tecnología de biorreacción de células madre vegetales a través de la inducción de callos, el cultivo en suspensión de células madre vegetales, la inducción de raíces peludas y otras tecnologías de cultivo de células madre vegetales.

Fig. 5: Resultados por fases de la respuesta biológica de células madre vegetales modificadas genéticamente

Newsun ha obtenido más de 10 tipos de materiales celulares de chasis vegetal con potencial para el desarrollo de la biosíntesis mediante la tecnología de inducción de células madre de tejido vegetal. Tras optimizar las condiciones de reacción biológica, la producción de células madre ha alcanzado los 550 g/L. Mediante ingeniería genética, se logró la expresión heteróloga del chasis del metabolito diana y se completó la reconstrucción de genes clave de la vía metabólica de múltiples células de ingeniería. Asimismo, se culminó con éxito la investigación de la tecnología piloto de biosíntesis de metabolitos diana. Esto ha sentado una base sólida para avanzar en el objetivo técnico de industrialización de variedades de productos naturales diana.

5. Perspectivas de la tecnología de biorreacción de células madre vegetales

La recolección a ciegas a largo plazo de plantas medicinales raras ha provocado la destrucción del entorno ecológico. Muchas plantas silvestres se encuentran en peligro de extinción. Es difícil introducir plantas en entornos ecológicos especiales. Las plantas que se pueden introducir y cultivar requieren una gran cantidad de tierras de cultivo. Debido a la restricción de la superficie agrícola cada vez más reducida y a la garantía de la línea roja de 1.800 millones de mu (1 ha = 15 mu) de tierras de cultivo en China, el cultivo a gran escala de plantas medicinales se ve gravemente restringido. Además, el cultivo artificial se ve limitado por factores ambientales. El contenido de metabolitos secundarios diana en las plantas naturales es demasiado bajo y su composición es compleja, lo que dificulta su desarrollo industrial. Debido a la compleja estructura de los productos farmacéuticos naturales de alta actividad y al gran número de centros quirales, la tecnología tradicional de síntesis química no ha podido satisfacer las necesidades de la tecnología de producción. Ante muchos de estos problemas, la producción de metabolitos secundarios útiles [14-16] mediante la exploración de diversas tecnologías de cultivo de células madre y órganos de plantas superiores es de gran importancia social para los científicos.

Segun Análisis de la situación actual de la competencia en la industria de pesticidas botánicos de China e informe de investigación sobre estrategias de inversión empresarialChina es un importante productor y usuario de pesticidas a nivel mundial, y la proporción de pesticidas biológicos (incluidos los antibióticos agrícolas) en el total de pesticidas es inferior a 12,51 TP3T, muy por debajo del promedio internacional. Los biopesticidas cuentan con el respaldo de políticas nacionales, en consonancia con la tendencia actual de consumo para la protección del medio ambiente, y su mercado crece rápidamente. Como especies clave de pesticidas biológicos, los pesticidas botánicos tienen amplias perspectivas de desarrollo.

Noticias de ChengduComo empresa de tecnología de biopesticidas dedicada a la investigación y el desarrollo de biotecnología original, se compromete a resolver los obstáculos que dificultan la industrialización de los pesticidas botánicos mediante la innovación en la tecnología de reacción biológica con células madre vegetales, contribuyendo así a la protección del medio ambiente y al fomento del desarrollo agrícola sostenible. En el futuro, Newsun seguirá priorizando los cultivos como línea de investigación científica, mejorando el control de plagas y reduciendo su coste, e impulsando el rápido desarrollo de la industria de pesticidas botánicos.

Sitio web de Newsun Crop Science: http://www.cdxzy.com

Correo electrónico: [email protected]

Referencia:

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