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Aplicación del estrés abiótico poscosecha para inducir la producción de compuestos bioactivos en plantas

Uso alterno de cultivos hortofrutícolas como biofábricas de compuestos nutracéuticos

Luis Cisneros-Zevallos, Ph.D. Professor, Dep. of Horticultural Sciences, Plant Bioactives & Bioprocessing Research Lab, Texas A&M University Daniel A. Jacobo-Velázquez, Ph.D. Director del Departamento Regional de Bioingenierías, Escuela de Ingeniería y Ciencias - Región Occidente, Centro de Biotecnología – FEMSA, Tecnológico de Monterrey16/02/2018
En años recientes se ha propuesto el uso de la aplicación de estreses abióticos poscosecha (i.e. corte, atmósferas modificadas, luz UV) como una tecnología a la ingeniería genética que permite producir de una forma rápida y eficiente compuestos bioactivos en tejidos vegetales. Dichos compuestos tienen un amplio rango de aplicaciones en la industria alimentaria, farmacéutica, cosmética y nutracéutica. Mediante los procesos y tecnologías desarrolladas en nuestro grupo de investigación, se induce la producción de compuestos bioactivos en materiales biológicos de desecho de la industria alimentaria, así como en frutas y vegetales que no cumplen con estándares de calidad para consumo humano. Entre los tejidos vegetales en los que se ha evaluado la efectividad del uso de estreses abióticos poscosecha se encuentran la zanahoria, brócoli, papa y lechuga, en donde se han logrado producir compuestos de alto valor comercial y de gran relevancia en términos de salud, tales como el ácido shikímico, ácidos clorogénicos, glucosinolatos y antocianinas.
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A través de los hallazgos generados se han definido las bases para la constitución de una empresa basada en el conocimiento biotecnológico avanzado que permite usos alternos y agregar valor a tejidos vegetales que no cumplen con estándares de calidad para consumo humano. El uso principal que se le dan a dichos tejidos es como biofábricas de compuestos de alto valor comercial. A continuación se mencionan los compuestos que se han logrado producir mediante la aplicación de la tecnología en distintos tejidos vegetales y sus aplicaciones probadas:

  • Glucosinolatos en brócoli: Potentes compuestos anticancerígenos.
  • Ácidos clorogénicos en patata y zanahoria: Empleados en la prevención de obesidad, diabetes y en el tratamiento del VIH/SIDA.
  • Ácido shikímico en zanahoria: Empleado en la producción de Tamiflu (medicamento contra la influenza).
  • Antocianinas en lechugas: Potentes antioxidantes con múltiples aplicaciones.

Problema y retos que se están abordando

La ingeniería genética y metabólica son las estrategias más utilizadas para generar cultivos sobreproductores de compuestos con aplicaciones nutracéuticas y farmacéuticas. Sin embargo, el cultivo de líneas transgénicas a gran escala está muy limitado y cuestionado debido al potencial riesgo de generar un desequilibrio ecológico. Las plantas sometidas a condiciones extremas de estrés abiótico poscosecha (estrés de corte, hiperoxia, luz UV y fitohormonas, entre otros) responden al estrés acumulando una alta concentración de compuestos con alto valor nutracéutico y farmacéutico. Dicha estrategia puede ser explotada como una alternativa a la ingeniería genética para la sobreproducción de compuestos bioactivos. En la Figura 1 se muestra una comparación entre la forma tradicional de sobreproducir compuestos bioactivos (ingeniería genética) en plantas y la tecnología alterna desarrollada en el proyecto aquí descrito (estreses abióticos poscosecha).

En resumen, mediante la aplicación de estreses abióticos poscosecha en cultivos hortofrutícolas se logra:

  • Reemplazar a la ingeniería genética en la producción de moléculas bioactivas en plantas.
  • Dar un uso alterno a frutas y vegetales que no cumplan con estándares de calidad para consumo humano.
  • Producir compuestos en cuestión de horas, comparado con la ingeniería genética en donde es necesario esperar al desarrollo y crecimiento de las plantas por tiempos muy prolongados.
Figura 1...
Figura 1. Comparación entre la estrategia convencional para sobreproducir compuestos de alto valor comercial (metabolitos secundarios) en plantas (ingeniería genética) y la tecnología alterna desarrollada en el presente proyecto (estreses abióticos poscosecha) (Traducido de Jacobo-Velázquez y Cisneros-Zevallos, 2012).

Impacto social

La tecnología poscosecha desarrollada es de gran relevancia desde el punto de vista social en sector salud al generar fuentes alternas de compuestos nutracéuticos y farmacéutico. Por otro lado, desde el punto de vista económico, la tecnología es una estrategia viable para agregar valor y dar un uso alterno a cultivos hortofrutícolas que no cumplan con estándares de calidad para consumo humano. Dichos cultivos considerados desperdicios pueden convertirse en biofactorías de metabolitos cuando son sometidos a la tecnología desarrollada.

Los compuestos acumulados en plantas como respuesta a la aplicación de estreses abióticos, son compuestos antioxidantes que pueden ser empleados en la prevención de diversas enfermedades crónico-degenerativas (cáncer y enfermedades cardiovasculares), las cuales constituyen la principal causa de muerte en el mundo. Asimismo, mediante la aplicación de estreses abióticos es posible activar rutas del metabolismo primario de las plantas, en donde se producen compuestos con aplicaciones en la industria farmacéutica. Un ejemplo de dichos compuestos es el ácido shikímico, el cual cuenta con un alto valor farmacéutico, ya que se emplea como materia prima para la producción de Oseltamivir (Tamiflu); primera línea de defensa en el tratamiento contra la influenza. Las fuentes naturales ricas en ácido shikímico son muy escasas e insuficientes para poder suplementar la demanda de Tamiflu. Por lo tanto, ante la escasez de fuentes naturales de ácido shikímico y al constante riesgo de una pandemia de influenza, resulta sumamente relevante encontrar sistemas alternos para la obtención de dicho compuesto.

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En resumen, aquí presentamos el uso potencial de una técnica sencilla como es la aplicación del estrés abiótico poscosecha para inducir la producción de compuestos bioactivos en plantas el cual le da al productor una herramienta adicional para acceder a mercados alternativos de alto valor asociados con la salud humana. Existen aun esfuerzos científicos por desarrollar como es el encontrar el estrés o combinación de estreses apropiados de acuerdo a la planta a tratar y el compuesto bioactivo a inducir. Esto crea una oportunidad única de colaboración entre la industria hortofrutícola y grupos de investigación. En adición a ello, el uso de la metabolómica (análisis químico) y de la transcriptómica (análisis de expresión de genes usando técnicas avanzadas de biología molecular) son herramientas modernas en la investigación que nos permitirán entender como aplicar estas técnicas de estreses de manera mas eficiente en beneficio del productor y del consumidor.

Referencias bibliográficas

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