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Rev.Fac.Nal.Agr.Medellín.Vol.55, No.1.p.1473-1495. 2002. 1473

CULTIVO DE CÉLULAS VEGETALES EN

BIORREACTORES:UN SISTEMA POTENCIAL

PARA LA PRODUCCIÓN DE

METABOLITOS SECUNDARIOS

Fernando Orozco Sánches1; Rodrigo Hoyos Sánchez2;

Mario E. Arias Zabala3

RESUMEN

Los cultivos de células vegetales en biorreactores ofrecen un gran potencial para la producción de metabolitos secundario, con importantes aplicaciones en la industria química, farmacéutica o alimenticia. Estos sistemas permiten controlar mejor la producción, a diferencia de los métodos tradicionales con plantaciones, los cuales presentan variaciones en la calidad y cantidad del producto debido a cambios climatológicas, estacionales, problemas geopolíticos o tenencia del suelo. Esta revisión presenta algunos grupos de metabolitos secundarios de plantas, su utilidad y ejemplos de sustancias con un potencial de producción al nivel comercial en cultivos celulares. Además, se presentan tres tipos de reactores (células en suspensión, células inmovilizadas y biopelículas de células), los problemas asociados con el cultivo de células vegetales y los factores que afectan la producción de los metabolitos secundarios. Los anteriores factores involucran la composición del medio de cultivo (sales inorgánicas, vitaminas, fuente de carbono, hormonas y reguladores de crecimiento), la composición del gas suministrado (oxígeno, bióxido de carbono, etileno), la temperatura, el pH, la radiación luminosa, las características de mezclado, la fase del crecimiento celular, el grado de diferenciación celular y la elicitación (biótica o abiótica). El estudio y la manipulación de los anteriores factores (variables operación) constituyen una etapa

1 Profesor. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín. Facultad de Ciencias. Escuela de Química.

2 Profesor. Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ciencias Agropecuarias. Departamento de Agronomía.

3 Profesor. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín. Facultad de Ciencias. Instituto de Ciencias Naturales y Ecología.

Orozco S., F.; Hoyos S., R.; Arias Z., M.

Rev.Fac.Nal.Agr.Medellín.Vol.55, No.1474 1. p.1473-1495.2002.

determinante para el diseño de un proceso que utilice esta tecnología como método de producción.

Palabras claves: Metabolitos Secundarios, Biorreactores, Cultivo de Células Vegetales.

ABSTRACT

Plant cell culture in bioreactors: a potential system for production of secondary metabolites

Plant cell culture in bioreactors offers a great potential for secondary metabolites production, with important applications in chemical, pharmacist or nutritious industry. This system allows a better production control, contrary to traditional plantation methods, which present variations in the quality and quantity of the product due to weather or seasonal changes, geopolitical problems or holding of lands. This review presents some groups of plant secondary metabolites, their utility and examples of substances with a production potential at the commercial level in cell culture. Also, three types of reactors (suspension cells, immobilized cells and biofilms of cells), associated problems with plant cell culture and factors that affect the production of secondary metabolites are presented. The previous factors involve the composition of the culture medium (inorganic salts, vitamins, source of carbon, hormones and regulators of growth), gas composition (oxygen, dioxide of carbon, ethylene), temperature, pH, light radiation, stirring characteristics, phase of cellular growth, degree of cellular diferenciation and elicitation (biotic or abiotic). The study and the manipulation of the previous factors (operation variables) constitute a decisive step for a process design that uses this technology like production method.

Key words: Secondary metabolites, bioreactor, plant cell culture.

INTRODUCCIÓN

La biotecnología vegetal es un área innovadora y enpleno desarrollo, que ofrece un gran potential productive, especialmente si se tiene en cuenta la cantidad de sustancias que producen las células vegetales con aplicaciones medicinales, farmacéuticas, alimenticias y productos de química fina. Las técnicas de micropropagación y mejoramiento de plantas han permitido desarrollar procesos de producción de compuestos utilizando células vegetales en diferentes tipos de biorreactores.

Los cultivos de células vegetales in vitro ofrecen la posibilidad de producir metabolitos secundarios o realizar biotransformaciones (transformación de un compuesto suministrado

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exógena-mente) en reactores, en un recinto cerrado o en una planta industrial, sin depender de extensas plantaciones, características de los suelos, condiciones climatológicas e incluso problemas sociales o de tenencia de la tierra. Lo anterior permite incrementar la productividad de metabolitos por unidad de biomasa en biorreactores, con respecto a los cultivos en plantaciones, reduciendo la presión sobre los suelos que están destinados a la alimentación humana y animal. De esta manera, la manipulación de las células vegetales en reactores es atractiva y se convierte en una excelente opción para la investigación y el desarrollo. En este trabajo se presenta un panorama general de la producción de los metabolitos secundarios de plantas en reactores, algunos tipos de biorreactores y los factores que se pueden manipular para la producción de determinado metabolito. Dichas consideraciones deberán tenerse en cuenta en el planteamiento de proyectos de investigación o en el mejoramiento de procesos productivos en esta área.

METABOLITOS SECUNDARIOS

Las plantas tienen rutas metabólicas comunes en las que se producen azúcares, ácidos grasos, aminoácidos, proteínas, AND, ARN o polímeros, los caules son necesarios para su crecimiento y desarrollo. Estas sustancias son conocidas como metabolitos primarios. Los reguladores de crecimiento y algunas fito hormonas (giberelinas, citoquininas, auxinas) son considerados metabolitos primarios. Otras rutas metabólicas son propias de un grupo taxonómico determinado – especie, género, familia – y conducen a la síntesis de compuestos importantes para su relación con otros organismos: los pigmentos de las flores que atraen a insectos polinizadores, compuestos que inhiben el crecimiento de otros organismos (sustancias alelopáticas) o que protegen a la planta productora de infecciones (fitoalexinas) o de los depredadores (disuasorios alimenticios) (Piñol y Palazón, 1993). Estas rutas metabólicas constituyen el metabolismo secundario, el cual puede definirse como la biosíntesis, transformación y degradación de compuestos endógenos mediante proteínas de especialización (Piñol y Palazón, 1993). Los productos de este metabolismo son denominados metabolitos secundarios y tienen aplicaciones como esencias, colorantes, insecticidas, aditivos nutritivos o productos farmacéuticos. Actualmente se registran más de 20000 metabolitos secundarios producidos por las plantas y a éste número se suma más de 1600 nuevas sustancias descubiertas cada año (Salisbury y Ross, 1994). Se considera tres grandes grupos de metabolitos secundarios: los terpenos, los fenoles y los alcaloides y de éstos compuestos sólo un número reducido es producido por síntesis química. Con el fin de mostrar el potencial que ofrecen estas sustancias, se presenta una breve descripción de estos grupos con algunos ejemplos.

Terpenos. Los terpenos son sustancias químicas que se encuentran en los aceites esenciales, resinas y otras sustancias aromáticas de muchas plantas, por ejemplo en los pinos y muchos tipos de cítricos. Los aceites esenciales son sustancias volátiles que le dan esencia (olor) a muchas especies vegetales. Uno de los terpenos más comunes es el pineno, que se encuentra, entre otros, en

Orozco S., F.; Hoyos S., R.; Arias Z., M.

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la trementina, extraída del pino (Luis, 2002). Se sintetizan a partir del acetil Co-A. Otros ejemplos de terpenos son los siguientes (Salisbury y Ross, 1994; Seki et al, 1997).

Monoterpenos (C10). El geranil pirofosfato (C10) es el precursos de todos los monoterpenos. Generalmente son volátiles y hacen parte de los acites esenciales.

Sesquiterpenos (C15). Forman parte de las denominadas esencias y algunos tienen actividad como fitoalexinas (protegen a la planta productora de infecciones).

Diterpenos (C20). Precursores de las giberelinas (hormona vegetal que promueve el crecimiento generalizado de muchas plantas (Piñol y Palazón, 1993). El taxol, nombre comercial del paclitaxel - una amida diterpeno, ha sido aprobado para su uso como droga anticáncer en más de 40 países.

Triterpenos (C30). Con funciones fisiológicas en las plantas. Los derivados constituyen esteroides con funciones hormonales de interés farmacéutico.

Saponinas (C27). Promotores de germination, inhibidores del crecimiento de las races, tienen efectos terapéuticos, expectorantes, anti inflamatorios y algunos tienen funciones como fitoalexinas.

Glucósidos cardiotónicos. Esteroides formados a parti de la progesterone, cardiotónicos - fármacos irremplazables en insuficiencias cardíacas y arritmias.

Tetraterpenos (C40). Carotenos y xantofilas, componenentes de pigmentos fotosintéticos. El β-carotene suede proteger de ciertos tipos de cancer por su acción antioxidante.

Poli soprenoides (>C40). El caucho es un ejemplo típico.

Fenoles. Los fenoles contituyen un grupo de productos

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