Pigmenti antiossidanti di origine vegetale

Pigmenti antiossidanti
di origine vegetale
Dai prodotti naturali
all’ingegneria genetica per fini nutrizionali
Carlo Rosati - ENEA C.R. Trisaia
Valore commerciale importazioni di coloranti naturali
(1998)
UE: >70M US$
USA: >40M US$
Pigmenti: tannini (cortecce, radici)
flavonoidi
antociani, flavoni, auroni
licopene, caroteni xantofille } carotenoidi
indigo (Indigofera spp.)
naftochinoni (Henna tree, noce)
antrachinoni (Lac tree, cocciniglia, Rubia spp.)
benzofironi (logwood)
betalaine (Caryophyllales, Amanita,...)
}
clorofilla
I principali pigmenti di origine vegetale
- Flavonoidi: antociani, flavoni, tannini
UV
- Carotenoidi
-
epidermide
mesofillo
Betalaine (Caryophyllales, Amanita)
epidermide
Clorofilla
Foglie senescenti
Fiori
Carotenodi e Flavonoidi hanno
vie biosintetiche INDIPENDENTI
Carotenoidi
Flavonoidi
Metabolismo
primario
secondario
Funzioni
Fotosintesi, foto-quenching
protez. stress (UV, patogeni, insetti)
Attrazione, simbiosi, etc.
Attrazione, Fertilità, simbiosi, etc.
Luogo di Sintesi
Plastidi (citoplasma)
Citoplasma
Accumulo in:
cloroplasto (foglie)
vacuolo
cromoplasto (pomodoro, carota, ...)
vacuolo (croco)
.
Flavonoidi e Carotenoidi hanno
proprietà ANTI OSSIDANTI
•“Scavenging” di radicali liberi (fumo, smog, alcool,...)
R., ROX + anti-ox.
Forma “inattiva”
•Anti-ossidazione lipidi (protezione membrane cellulari)
•Anti-U.V./invecchiamento
•Paradosso francese
(creme solari, cosmetici)
(resveratrolo, antociani, tannini)
•Pro-vitamina A, sinergia con vitamine ACE
I Flavonoidi
Farzad et al., 2003
Winkel-Shirley, 2001
Cocciolone et al., 2002
Jaakola et al., 2001
I Flavonoidi
Esempi
Mirtillo, Ribes, Uva, …
Melo, Pero, Ciliegio,
Rosa, ...
Lampone, Fragola, ...
Jaakola et al., 2001
Flavonoidi: ingegneria genetica
•Creazione varietale: colore fiori (1987), foglie, …
•Resistenza a patogeni
•Digeribilità foraggi (anti-meteorismo)
•Produzione pigmenti (in planta e in vitro)
FUTURO-PRESENTE:
•Salute=Prevenzione (vs colesterolo, tumori, infarto)
•Fitoestrogeni (vs menopausa, osteoporosi)
The Holy Grails...
•Rosa blu (Florigene; già Calgene Pacific, est. 1986)
•Simbiosi batteri N2fix in piante non-Leguminose
I Flavonoidi e le Biotecnologie
Zuker et al., 2002
Shimada et al., 1999
Ray et al., 2003
35S::Lc
Winkel-Shirley, 2001
Rosati et al., 2003
La biosintesi dei Carotenoidi
Cunningham & Gantt, 1998
I Carotenoidi
nelle piante
Isoprenoidi
Giuliano et al., 2000
melone,
pesca,
albicocca...
Bixa orellana
Bouvier et al., 2003
alghe, batteri
crostacei
pesci, uccelli
Croco
Bouvier et al., 2003
Il bu$ine$$ dei Carotenoidi...
… e delle vitamine
6-15x Vit.E Cahoon et al., 2003
Carotenoidi e
Biotech vegetali
Isoprenoidi
Golden canola
(crtB)
Mercato mondiale:
>500 M US$ (Albrecht et al., 2000)
Shewmaker et al., 1999
300x
pNapin+
TP
Golden rice
Ye et al., 2000
300g = 10% RDA
Annatto?
0,6-2 US$/kg
10.000 t = 6-20 M US$
Vari
p+geni
Golden tomato
Crocetina & co.?
(1000 ¤/kg)
Romer et al., 2000
Rosati et al., 2000
7x, 120g = 100% RDA
Capacità antiossidante
10x β-carotene
100-500x vit.E
Mann et al., 2000
Astaxanthina? (Patents pending)
(2-5000 US$/kg, 15% costo produzione salmone)
Pds+crt
Pds +
plant
Fonti primarie di carotenoidi
importanti dal punto di vista nutrizionale
lycopene
β-carotene
OH
HO
zeaxanthin
Ingegneria nutrizionale della pro-vit.A in pomodoro:
sovra-espressione o sotto-espressione della lyβcy
B) sovra-espressione
β-Lcy
Pds
Licopene
Nos
β -LCY
B/NXS
CHY
β-carotene
OH
A) Fenotipo originale
HO
ZEP
VDE
Zeaxantina
OH
C) Antisenso
O
Pds
β-Lcy
HO
Nos
Anteraxantina
ZEP
200
Lycopene
β-carotene
VDE
O
Xanthophylls
O
HO
µg/gm fresh weight
OH
Violaxantina
B/NXS
100
OH
C
HO
0
Overexpressors
Parental
Antisense
Fino a 500 µg beta-carotene / g DW (>300 volte rispetto al Golden Rice)
OH
Neoxantina
Ingegneria genetica del contenuto di xantofille nel pomodoro:
espressione della lyβcy e della β-chy
Lycopene
β-Lcy
Pds
β-Lcy
Pds
+
β-Chy
Nos
β-carotene
β-Chy
Nos
OH
in
Moneymaker
β-Chy
β-cryptoxanthin
OH
HO
Pds
β-Chy
Zeaxanthin
Nos
Lyco
in
B (IL)
Beta
Zea+Cr
Lut
MM
MM(B+C)
B(C)
B
Effetti-paradosso dell’ingegneria genetica:
il β-carotene che non ti aspetti...
Grafico1
2000
1500
tot Xantho
b-Carotene
Lycopene
1000
500
0
Pds
β-Chy
Nos
2_20
3_3
42-37
T0
42-37
T1-1
42-37
T1-2
42-37
T1-3
MM 1
MM 2
Line
in
Moneymaker
Contenuto in carotenoidi
450
400
350
300
250
SE
AVG
200
150
100
50
0
3/3 (3)
42/37 T0
42/37 T1
42/37 T1
42/37 T1
(1)
(2)
(3)
Consistenza del frutto
MM
Conclusioni
Regolazione genica
Uso promotori tessuto/organello specifici per ingegneria “mirata”
Ingegneria metabolica per fini nutrizionali
Risultati importanti, già sfruttabili per la produzione e nel breeding
Nella maggior parte dei casi, si ottiene il risultato atteso…ma a volte… ????
In attesa dei “Golden Crops”, sfruttare le risorse naturali:
MANGIATE FRUTTA E VERDURA
E BEVETE VINO ROSSO!!!
Collaborazioni
•G. Giuliano, G. Diretto, L. Giliberto (ENEA Casaccia)
•R. Tavazza (ENEA Casaccia)
•G. Perrotta (ENEA Trisaia)
•B. Camara (CNRS Strasbourg, Francia)
•S. Martens (Univ. Marburg, Germania)
•D. Treutter (Univ. Monaco, Germania)
Acknowledgments
ENEA
Carlo Rosati
Patrizia Pallara
Raffaela Tavazza
Leonardo Giliberto
Gaetano Perrotta
Gianfranco Diretto
CNRS Strasbourg
Florence Bouvier
Bilal Camara
Univ Freiburg
Johannes von Lintig
Ralf Welsch
Peter Beyer
Univ. Halle
Thomas Fester
Dieter Strack
Funding:
European Commission
Italian Ministry of Research
Italian Ministry of Agriculture
Postdoctoral positions available
Contact: [email protected]