Fábricas vegetales:
¿Cómo las plantas pueden ofrecer
alternativas para producir compuestos verdes?
Por Lorena López-Galvis
La
biotecnología se ha mostrado como una herramienta básica para el desarrollo de
una sociedad sostenible en la que la demanda de alimentos, la presión por la
tierra arable y la reducción en los recursos han generado un afán por producir
tanto alimentos como materias primas de manera más eficiente y con un mejor uso
de los recursos naturales. Aparte de los logros que ha tenido la biotecnología
en la generación de cultivos de mayor rendimiento con resistencia a plagas,
enfermedades y estrés abióticos [1], también ha sido importante para usar las
plantas como fábricas vegetales de las cuales se cosechan materias primas,
medicinas, químicos y vacunas.
Las
plantas son unas increíbles fábricas de químicos, a partir de los sustratos más
simples y baratos como lo son el dióxido de carbono, la luz solar, el agua y
minerales del suelo, producen miles de moléculas químicas de diversas
estructuras. Más de 50000 estructuras químicas se han analizado en el reino
vegetal y aún hay muchas más por analizar (Tabla 1). Muchos de estos compuestos
se conocen como metabolitos secundarios y se producen en determinadas especies
vegetales [2]. Lo interesante de estos metabolitos son las propiedades que
tienen como materia prima para industria como es el caso de ciertos aceites,
del caucho, de la cafeína, y también porque muchos se conocen por sus
propiedades medicinales como antioxidantes, antiinflamatorios e incluso
anticancerígenos.
Tabla
1. Algunos ejemplos de estructuras químicas derivadas de plantas [2].
Tipo molecular
|
Numero de estructuras conocidas
|
Ejemplos
|
Isoprenoides
|
> 25000
|
Mentol, turpentina, caucho
|
Alcaloides
|
> 12000
|
Cafeína, nicotina
|
Fenoles
|
> 8000
|
Vainillina, antocianinas
|
Ácidos grasos y derivados
|
> 500
|
Aceite de castor, uroshiol
|
Misceláneos
|
>5000
|
Sorbitol, goma de guaraná
|
Durante
muchos años, la extracción y uso de estos químicos ha sido una de las tareas de
la biotecnología vegetal. El entender la ruta metabólica de cierto metabolito y
la posibilidad de aislar los componentes responsables de su síntesis y
metabolismo permiten modificar (vía transgénesis o mejoramiento tradicional) dicha
ruta en favor de la producción del químico usando así la planta como una
fábrica vegetal. Muchas de estas moléculas se están investigando como
alternativas a la industria de derivados del petróleo ya que como “compuestos
verdes” permiten una producción más limpia, renovable, de menor impacto
contaminante y con beneficios para la industria y economía local.
Un
ejemplo de la química verde son los aceites vegetales que pueden derivar
materias primas para uso en detergentes, plásticos y cosméticos, que
normalmente usan como materia prima derivados del petróleo (Tabla 2) [2]. Sin embargo,
es importante anotar que muchos de estos productos no se obtienen en grandes
cantidades a partir del material vegetal, por ejemplo una semilla de
oleaginosas (palma, girasol) puede tener hasta un 50% de su peso en aceite,
pero esto es una mezcla de diversos aceites que dependen de procesos
industriales de extracción para su rendimiento final.
Tabla
2. Aceites vegetales usados en aplicaciones industriales [2].
Tipo
de lipido
|
Ejemplo
|
Fuente
principal y alternativas
|
Uso
principal
|
Cadena
media (C8-C14)
|
Ácido
laurico
|
Palma,
coco, caupi
|
Detergentes
|
Cadena
larga (C22)
|
Ácido
erucico
|
Canola,
crambe
|
Lubricantes,
nylon, plásticos
|
Epóxico
|
Ácido
vernólico
|
Aceite
de soya epoxico, vernonia
|
Plásticos
|
Hidróxico
|
Ácido
rinoleico
|
Castañas,
lesquerella
|
Lubricantes,
coberturas
|
Solido
de baja fusión
|
Manteca
de cacao
|
Cacao,
ilipe
|
Chocolate,
cosméticos
|
Ester
de cera
|
Aceite
de jojoba
|
Jojoba
|
Lubricantes,
cosméticos
|
Un
25% de las medicinas usadas actualmente se descubrieron como químicos
producidos por las plantas que ahora se pueden sintetizar industrialmente,
ejemplos de estas son la salicina (analgésico) de Salix alba, efedrina (antihistamínico) de Ephedra sinica, morfina (analgésico) de Papaver somniferum, timol (antifúngico) de Thymus vulgaris, mentol (rubefaciente) de Mentha sp. [3]. Sin embargo, hay una gran variedad de moléculas
promisorias que aún dependen de las plantas para su síntesis industrial, es el
caso del Taxol, un anticancerígeno descubierto en 1967 por el Instituto
Nacional de Cáncer de Estados Unidos bajo un proyecto de colecta de especies
vegetales para evaluación de compuestos naturales en citotoxicidad de células.
Este compuesto se derivó de madera de Taxus
brevifolia (Pacific yew) y ocasionó una gran presión en las poblaciones
naturales de este árbol, ya que se requerían grandes cantidades de madera para
extraer taxol en las cantidades necesarias para las pruebas clínicas requeridas
en el proceso de desarrollar un nuevo fármaco (se extraían 10 g de taxol puro
de 1200 libras de madera). Con la aprobación del taxol o pacitaxel como droga quimioterapéutica
en 1990, la demanda por este fármaco ascendió, y por esto el interés inicial de
conseguir una fuente de síntesis de alta eficiencia y calidad. Desde 1993, el
taxol se extrae por fermentación de células vegetales de Taxus propagadas en medio acuoso junto con el hongo endofito Penicillium raistrickii [4] y no se usan
más extracciones de madera de Taxus
brevifolia. Pero los investigadores no se quedaron con este único proceso
de síntesis, en 2010, Haas reportó la posibilidad de optimizar la expresión de
las enzimas bacterianas y vegetales de síntesis de taxol en bacterias (Esclericia coli) para la producción de intermediarios
de la cadena de síntesis de esta molécula, de esta manera su producción es mas
económica.
De
esta manera muchos de los químicos verdes han mostrado algunas de las ventajas
del uso de las plantas y de la actividad bacteriana para extraer compuestos
importantes como lo son etanol, ácido cítrico y ácido láctico. En estos casos
el sustrato es material vegetal, principalmente almidón de maíz, el cual es
fermentado en contenedores de gran tamaño por bacterias o levaduras que se ha
seleccionado o transformado genéticamente para modificar su capacidad de
producir determinado compuesto. Por ejemplo en 2011 el 25% del maíz producido
en Estados Unidos fue usado como sustrato para producir bioetanol.
Adicionalmente
diversas investigaciones ponen a las plantas como fábricas de químicos útiles
al hombre (Figura 1). El plástico PHB (polihidroxiburato) es un polímero
biodegradable y resistente al agua que comercialmente es producido por la
bacteria Alcaligenes autrophus. En la
planta modelo Arabidopsis thaliana se
han introducido tres genes de A.
autrophus y PHB se ha podido acumular hasta en 100mg/g peso fresco o 14%
del peso seco de los cloroplastos [6], esto muestra la alta eficiencia de las
plantas modificadas y el valor agregado que genera una producción verde de
plásticos de manera más limpia con el ambiente.
Figura 1. Síntesis de
biopolímeros por fermentación bacteriana o por producción en plantas. Tomado de
[7].
Otro
campo de desarrollo importante para el uso de las plantas como fábricas verdes o
bioreactores es la producción de vacunas. Este campo se conoce como
“Biopharming” o producción de farmacéuticos en plantas y se desarrolló como
ruta alternativa para la producción de vacunas de manera más económica y
eficiente que la síntesis comercial, que usa costosos sistemas de células
animales. Este avance es importante para países en desarrollo que son los que
se benefician de vacunas de bajo costo, ya que es la herramienta más eficiente
para controlar enfermedades y epidemias [8]. Plantas modificadas genéticamente
han podido expresar proteínas recombinantes que incluyen antígenos y
anticuerpos virales y bacterianos, entre ellas están el banano, tomate, arroz,
zanahoria, entre otros que producen vacunas contra la hepatitis B y el cólera
(Tabla 3). Inclusive el fin de estas vacunas es que puedan ser administradas
directamente como parte del alimento y al ser consumidas inmunicen a las
personas objetivo, aunque aún no se ha llegado a este término con esta
tecnología.
Tabla
3. Algunas proteínas con actividad inmune expresadas en plantas y que han sido
reportadas en la literatura [2].
Aplicación potencial
|
Proteína expresada en
plantas
|
Caries dental
|
Proteína de superficie de Streptococcus
mutans
|
Cólera y diarrea por E. coli
|
Enterotoxina de E. coli
|
Hepatitis B
|
Antígeno de Hepatitis B
|
Malaria
|
Epítope “B-cell” de malaria
|
Influenza
|
Hemaglutatina
|
Rabia
|
Glicoproteína del virus de la
rabia
|
VIH
|
Epítopes gp41 y gp120 del VIH
|
Aunque
hay barreras legales, sociales y políticas para el uso de la biotecnología, los
avances en este campo han mejorado, y seguirán mejorando, ampliamente la
agricultura y la vida de los seres humanos. El uso de las plantas como método
alternativo de producción de compuestos de interés para el hombre abre una
puerta muy amplia para la investigación y la generación de industria teniendo
en cuenta que permite producciones más limpias y sostenibles y que puede
generar un impacto social de alto valor en el caso de síntesis de vacunas.
Referencias
[1]
[2] Chrispeels,
M & D. Sadava. 2003. Plant, Genes and Crop Biotechnology. Jones and
Bartlett Publishers, Inc. London, UK. 2nd edition.
[3] Goodman, J
&, V. Walsh. 2001. The story of taxol. Nature and politics in the pursuit
of an anti-cancer drug. Cambridge University Press, Cambridge, UK.
[4] Taylor, L.
2000. Plant based drugs and medicines. En
http://www.rain-tree.com/plantdrugs.htm#.UlwJnVBWzLQ
[5] Haas,
M.J. 2010. Paclitaxel routes in bacteria. SciBX 3(40);
10.1038/scibx.2010.1199
[7] Gross, R.
& K. Bhanu. 2002. Biodegradable Polymers for the Environment. Science 297
(5582):803-807.
[8] Ahmad P,
Ashraf M, Younis M, Hu X, Kumar A, Akram NA, Al-Qurainy F. 2012. Role of
transgenic plants in agriculture and biopharming. Biotechnol Adv. 30(3):524-40.
Category:
biopharming,
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