Compuși bioactivi de origine vegetală - abordări biotehnologice

Introducere

Plantele sunt surse consacrate de compuşi farmaceutici, aromatici şi industriali, civilizaţia fiind indisolubil legată de lumea plantelor, acestea constituind de milenii sursa majoră de obţinere a unor bio-produse esenţiale pentru supravieţuirea întregului regn animal. Adevărate uzine biochimice acţionate de energia solară, plantele sintetizează nu numai compuşii de bază necesari supravieţuirii lor, din categoria hidraţilor de carbon, proteinelor şi lipidelor, ci şi o gamă largă de substanţe organice ce pot fi extrase în cantităţi suficiente pentru a prezenta importanţă semnificativă ca materii prime cu variate aplicaţii ştiinţifice, tehnologice şi comerciale. Şi în prezent zestrea botanică a planetei stochează numeroase resurse încă insuficient cunoscute, care pot reprezenta alternative rentabile pentru obţinerea unor materii prime deficitare în diferite domenii economice. Regnul vegetal continuă să reprezinte principalul furnizor de compuşi fitochimici utilizaţi în diferite ramuri industriale cum sunt cele ale produselor farmaceutice, alimentare, cosmetice, agrochimice, cu valori comerciale exprimate în miliarde de dolari. Plantele constituie surse de neînlocuit pentru uleiuri industriale (volatile şi fixe), arome, parfumuri, răşini, gume hidrocoloidale, saponine şi alţi surfactanţi, coloranţi, pesticide, cauciuc natural, substanţe medicamentoase şi mulţi alţi compuşi speciali.

Fitochimicalele cele mai cunoscute includ medicamente ca morfina şi codeina (alcaloizi analgezici derivaţi din latexul de la Papaver somniferum), cocaina (alcaloid anestezic local, derivat din frunze de coca), chinina (alcaloid antimalaric derivat din scoarţă de Cinchona), curare şi digitalina; parfumuri şi esenţe ca uleiul de trandafir şi jasminul; materii prime industriale ca acizi graşi, ulei de pin şi cauciuc natural; pesticide ca piretrinele şi nicotina (figura 1).

Statisticile recente evidenţiază faptul că peste 1500 de compuşi noi sunt identificaţi anual în diferite specii de plante şi că aproximativ un sfert dintre medicamentele prescrise conţin substanţe de origine vegetală. Totodată rapiditatea procesului de extincţie a speciilor şi de îngustare a bazei genetice a resurselor vegetale în lume a stimulat atât reconsiderarea importanţei vitale a resurselor genetice cât şi interesul pentru obţinerea metaboliţilor de interes prin metode neconvenţionale.

Progresele înregistrate în domeniul biologiei moleculare şi al manipulărilor genetice oferă perspective promiţătoare pentru intensificarea biosintezei unor compuşi secundari, acţionând la nivelul genelor reglatoare. Prin sporirea numărului de copii ale acestora sau prin ataşarea genelor respective la un promotor cu capacitate superioară de expresie, se poate realiza intensificarea activităţii enzimelor implicate în procesul biosintetic (M. HOLDEN, 1989). Cu toate că există adesea diferenţe relevante în ce priveşte sinteza şi acumularea metaboliţilor secundari în diferite ţesuturi sau în faze diferite ale dezvoltării plantei, genomul fiecărei celule conţine informaţia necesară pentru a declanşa întregul potenţial al metabolismului secundar caracteristic speciei.

1. Semnificaţia biologică a metaboliţilor primari şi secundari

Metabolismul constă din serii strâns coordonate de reacţii chimice mediate de enzime care se desfăşoară în cadrul organismului vegetal, având ca rezultat sinteza şi utilizarea unei mari varietăţi de molecule din categoria glucidelor, aminoacizilor, acizilor graşi, nucleotidelor şi a polimerilor derivaţi de la acestea (polizaharide, proteine, lipide, ADN, ARN, etc.). Totalitatea acestor procese este definită ca metabolism primar iar compuşii respectivi, care sunt esenţiali pentru supravieţuirea plantei, sunt descrişi ca metaboliţi primari.

Pe lângă metaboliţii “primari”, cu rol major în menţinerea viabilităţii plantei (proteine, hidraţi de carbon şi grăsimi), sunt sintetizaţi şi o serie de compuşi care includ terpene, steroizi, antociani, antrachinone, fenoli şi polifenoli, care aparţin aşa numitului metabolism “secundar”. Metaboliţii secundari sunt prezenţi numai la anumite specii, adesea manifestând specificitate de organ sau de ţesut, pot fi identificaţi numai într-un anumit stadiu al creşterii şi dezvoltării în cadrul unei specii, sau pot fi activaţi numai pe parcursul perioadelor de stres, cauzate de pildă de atacul unor microorganisme sau de sărăcirea nutrienţilor. Sinteza lor pare fără semnificaţie directă pentru celula sintetizatoare, dar poate fi decisivă pentru dezvoltarea şi funcţionarea organismului ca întreg. Cu toate că sinteza lor nu constituie o parte indispensabilă a programului expresiei genice şi dezvoltării, aceşti metaboliţi nu reprezintă simpli produşi catabolici, deoarece au o structură foarte diversificată şi pot fi adesea reincluşi în procesele metabolice. De fapt delimitarea între metabolismul primar şi secundar este incertă, întrucât mulţi dintre intermediarii metabolismului primar îndeplinesc roluri similare şi în cadrul metabolismului secundar. Astfel, unii aminoacizi obscuri sunt în mod cert metaboliţi secundari, în timp ce sterolii sunt compuşi structurali esenţiali ai multor organisme şi în consecinţă trebuie consideraţi metaboliţi primari. Suprapunerea rolurilor multor compuşi asigură o interrelaţie strânsă între metabolismul primar şi secundar, iar interpretarea delimitării dintre aceste procese trebuie făcută cu prudenţă (figura 2).