Kateřina Svobodová Brooker: Biotechnologie a rostlinné éterické oleje #14

Tradiční šlechtění aromatických rostlin za účelem zvýšení výtěžnosti i odolnosti rostlin ovládá nový obor – biotechnoligie. Genetická modifikace se dotýká i aromatických rostlin. Jaké jsou trendy a nové směry v této oblasti?

Kateřina Svobodová Brooker spolu se svým mužem Johnem Brooker pro vás připravili 15dílný seriál z tajuplného a fascinujícího světa aromatických rostlin. Začtěte se do 14. dílu u šálku odpoledního čaje, ať si ho náležitě vychutnáte. 13. díl najdete tady. (For english version scroll down)

Fascinující svět aromatických rostlin – seriál (Amazing Aromatic Plants)

Tradičně se šlechtění rostlin provádí křížením, selekcí a zavedením mutací chemickými látkami nebo ozářením. V poslední době umožnil vývoj různých typů genetické transformace rostlin cílené genové modifikace. Do rostlin mohou být zavedeny nové geny a může být pozměněna exprese existujících genů. Nashromáždil se mimořádný objem informací o biosyntetických genech, enzymatických funkcích a regulaci komplexních biosyntetických drah v modelových rostlinách, jako jsou Arabidopsis, rýže a kukuřice.

Nedávný vývoj rychlých a nákladově efektivních technik sekvencování DNA poskytl množství komplexních genomických dat pro stovky rostlin. Vývoj technologií CRISPR-Cas9 také umožnil kontrolu genových sekvencí za účelem získání  žádoucích charakteristik. DNA rostlin hospodářského významu, jako je rýže, brambory, obiloviny, čaj, káva, různé druhy ovoce a zeleniny, byla objasněna a podrobně popsána. Kombinace těchto znalostí s nástroji dostupnými pro genetickou manipulaci a metabolické inženýrství nyní otevírá cestu novým příležitostem v manipulaci rostlin, které produkují esenciální oleje a ostatni přírodních látky.

Hlavním cílem manipulace je zvýšení výnosu éterických olejů (EO) v rostlinách, snížení nebo úplné odstranění jedovatých složek z EO, vyvážení žádoucích složek a zvýšení nejžádanějších složek EO v daném chemotypu. Tento článek se zaměřuje na potenciál genetické manipulace s éterickými oleji, ale nepopisuje konvenční šlechtění rostlin, které se zabývá mnoha dalšími problémy rostlinné výroby, morfologickými a fyziologickými aspekty zlepšování rostlin a agronomickými charakteristikami, které jsou vyžadovány pro velkoplošné pěstování aromatických rostlin.

Typické složky éterických olejů jsou odvozeny hlavně od mastných kyselin, fenylpropanoidů a isoprenoidů. Metabolické cesty kyseliny mevalonové (MVA) a 1-deoxyxylulosa-D-5-fosfátu (DXP), které v rostlinách vedou k syntéze EO, se také nacházejí v bakteriích, houbách a zvířatech. Tyto metabolické biosyntézy jsou rozsáhle studovány, byly identifikovány geny odpovědné za jednotlivé chemické reakce a popsány důležité regulační mechanismy pro syntézu klíčových enzymů. Tato znalost následně poskytuje informace pro metabolické inženýrství v jakémkoli organismu. Z veřejných databází jsou nyní k dispozici tisíce genetických sekvencí kódujících geny, které řídí produkci mono a seskviterpenů. Jedním příkladem je nedávno klonovaná patchoulol syntáza z rodu Pogostemon cablin, rostliny používané k výrobě éterického oleje pačuli v ročních objemech přesahujících 1 000 tun. Detailní znalost biosyntézy nabízí možnosti metabolického inženýrství všech jednotlivých kroků v celé biosyntetické dráze. Kromě toho umožňuje tvorbu nových chemických sloučenin, které by mohly mít zajímavé čichové nebo léčivé vlastnosti.

Vzdělávejte se v aromaterapii s námi! Seriál pro vás publikujeme zcela zdarma díky laskavé podpoře Asociace českých aromaterapeutů.

Je také možné, že bakterie a kvasinky pěstované v bioreaktorech, budou schopny produkovat cenné složky EO. Doposud byla tato strategie aplikována na výrobu vysoce hodnotných terapeutických sloučenin, jako jsou seskviterpenové laktony a antimalariální lék artemisin, a aromatické sloučeniny, jako je vanilin, kyselina jasmonová, banán, kokos a ovocná chuť, vůně jako citronellol, geraniol, linalool, geraniol, nerolidol, eugenol, thymol a více než 100 dalších těkavých látek, bisabolol, jiné seskviterpeny a karotenoidy. Tento výzkum je vyvíjen a podporován především potravinářským, kosmetickým a farmaceutickým průmyslem.

Manipulace obrovského množství genomických dat jde ruku v ruce s vývojem experimentálních přístupů počítačové technologie. Syntetické inženýrství se stává jedním z hlavních faktorů v aplikované syntetické biologii.

Příklady terpenů produkovaných geneticky upravenými rostlinami

Mentha piperita, M. arvensis (máty)

Gen: limonen syntáza

Výsledky: vyšší výtěžek EO; vyšší výtěžnost různých složek

Gen: menthofuron syntáza

Výsledky: antisense (utlumení genové aktivity) – o 50% méně menthofuranu; nadměrná exprese – vyšší výtěžek menthofuranu

Arabidopsis thaliana

Gen: nerolidol syntáza

Výsledky: vysoké hladiny nerolidolu

Gen: seskviterpen syntáza TPS 10

Výsledky: vysoké hladiny bergamotenu a dalších seskviterpenů

Gen: beta-farnesensyntáza

Výsledky: vysoké hladiny beta farnesenu

Lavandula latifolia (levandule širokolistá)

Geny: enzymy kontrolující regulační kroky drah methyl-D-erythritol 4-fosfátu a kyseliny mevalonové a monoterpen syntázy

Výsledky: vyšší výnos a kvalita éterického oleje, zlepšený kvalitativní profil specifických monoterpenů

Santalum sp. (santal)

Geny: 35 různých genů kontrolujících biosyntézu EO santalového dřeva

Výsledky: geny byly klonovány a charakterizovány, různé biotechnologické přístupy nabízejí možnost zlepšení výnosů EO santalového dřeva

 

© Kouzlo vůní, Kateřina Svobodová

Kateřina Svobodová Brooker (BSc Hons, PhD)

Kateřina Svobodová – Brooker & John Brooker

Po emigraci do Británie pracovala na katedře botaniky Glasgow University a udělala doktorát na Farmaceutické Fakultě se specializací na rostlinnou biochemii a využití přírodních produktů. Jako jedna z prvních byla zodpovědná za výzkum aromatických rostlin z hlediska botaniky, fyziologie, biochemie a biotechnologie, zkoumat aromatické rostliny byl její sen, za kterým si šla celou svoji kariéru.

Publikovala v odborných časopisech (přes 100 odborných a populárních článků) a měla přes 70 odborných příspěvků na mezinárodních konferencích – v Evropě, Israeli, Japonsku, Koreji, Brazilii a USA. Pracovala jako editorka pro CAB Abstracts on Aromatic and Medicinal Plants (Commonwealth Agriculture Bureau) a též jako poradce ve výboru BHTA (British Herb Trade Association).

Aktuálně žije po většinu roku v ČR a aktivně zde vyučuje při Asociaci českých aromaterapeutů. Je vdaná a má 2 syny, kteří žijí v zahraničí. Při psaní seriálu jí vypomáhá i její manžel John Brooker.

Autorkou článku je Kateřina Svobodová, předmluva: Michaela Lusílija Makulová, foto: Pixabay, archiv Kateřiny Svobodové.

Partnerem seriálu pro rok 2019 je Asociace českých aromaterapeutů. Díky této laskavé podpoře vám seriál přinášíme zcela zdarma.

Asociace českých aromaterapeutů působí již od roku 1996 poskytuje kvalitní a všestranné vzdělání v aromaterapii široké veřejnosti i profesionálním zájemcům ze souvisejících oborů jako je zdravotnictví, ošetřovatelství, farmacie, rehabilitace, kosmetika či wellness. V Institutu aromaterapie školí odborné aromaterapeuty, které sdružuje v Registru kvalifikovaných aromaterapeutů, poskytuje jim informační servis, rozvíjí jejich vzájemnou spolupráci a podporuje je nadstavbovým vzděláváním. Popularizuje a propaguje aromaterapii v médiích, na odborných konferencích a veletrzích, připravuje speciální programy pro firmy i neziskové organizace.

Biotechnology and plant essential oils – part XIV.

Traditionally, improvement of plants to introduce desired traits is made by crossing, selection or introduction of mutations by chemicals or irradiation. More recently, the development of various types of genetic transformation of plants allowed targeted gene modifications. New genes can be introduced into plants, and the expression of existing genes can be altered. An outstanding volume of information has accumulated concerning biosynthetic genes, enzyme functions and the regulation of complex biosynthetic pathways in model plants such as Arabidopsis, rice and maize. The recent development of rapid and cost-effective DNA sequencing techniques has provided masses of complex genomic data for hundreds of plants. The development of CRISPR-Cas9 technologies has also made possible the editing of gene sequences to produce more desirable products. The DNA of plants of economic interest, such as rice, potatoes, cereals, tea, coffee, various fruits and vegetables has been elucidated and described in detail. The combination of this knowledge with tools available for genetic manipulation and metabolic engineering now opens the way for new opportunities in manipulating the production of plant natural compounds.

The main aim would be to increase the yield of EO in plants, to decrease or completely eliminate poisonous components from EO, to balance desirable components and to increase the most desirable EO components in a given chemotype. This article focusses on the potential for genetic manipulation of EO plants but does not describe conventional plant breeding that deals with many other aspects of plant production, with morphological and physiological aspects of plant improvement and with agronomic characteristics that are required for large scale plant cultivation.

The typical constituents of EO are mainly derived from fatty acids, phenylpropanoids and the isoprenoid pathway. The mevalonate acid (MVA) and 1-deoxyxylulose-D-5-phosphate (DXP) pathways are also found in bacteria, fungi and animals. These pathways have been studied extensively, genes have been identified and important regulatory mechanisms for the synthesis of key enzymes have been described. Consequently, this knowledge provides information for the metabolic engineering in any organism. Thousands of genetic sequences coding for genes that control the production of mono and sesquiterpenes are now available from public databases.  One example is the recently cloned patchoulol synthase from Pogostemon cablin, a plant used to produce patchouli oil in annual volumes exceeding 1000 tons. This knowledge offers possibilities for metabolic engineering of all steps in the entire biosynthetic pathway. In addition, it enables the generation of new chemical compounds that might have novel olfactory or medicinal properties.

It is also possible that bacteria and yeasts, grown in bioreactors, will be able to produce valuable components of EO. So far, this strategy has been applied to the production of high-value therapeutic compounds such as sesquiterpene lactones and the antimalarial drug artemisin, flavour compounds such as vanillin, jasmonic acid, banana, coconut and fruity  like flavours, fragrances such as citronellol, geraniol, linalool, geraniol, nerolidol, eugenol, thymol and  over 100 other volatiles, bisabolol, other sesquiterpenes,  and carotenoids. This route is being developed by the pharmaceutical,  flavour and fragrance industries.

Computational developments to handle the masses of genomic data go hand-in-hand with developing these experimental approaches. Synthetic pathway engineering will therefore, become one of the major drivers of applied synthetic biology.

Examples of volatile terpenoids produced by genetically engineered plants

Mentha piperita, M. arvensis                                                                                   

Gene: limonene synthase

Results:  higher EO yield; higher yield of various components

Gene: menthofurone synthase

Results: antisense silencing – 50% less menthofuran; overexpression – higher yield of       menthofuran

Arabidopsis thaliana    

Gene: nerolidol synthase

Results: high levels of nerolidol

Gene: sesquiterpene synthase TPS 10

Results: high levels of bergamotene and other sesquiterpenes

Gene: beta-farnesene synthase

Results: high levels of beta farnesene

Lavandula latifolia (Spike Lavender)

Genes: enzymes controlling regulatory steps of methyl-D-erythritol 4-phosphate and mevalonic acid pathways, and monoterpene synthases

Results: improved essential oil yield and quality, improved qualitative profile of specific monoterpenes

Santalum sp.

Genes: 35 different genes controlling EO sandalwood biosynthesis

Results: genes cloned and characterised, various biotechnological approaches offer opportunities to improve yields of sandalwood EO

Michaela Lusílija Makulová