Modelling of the in vitro culture of Bryophyllum sp. for efficient biosynthesis of phenolic compounds with pharmacological potential

Abstract

La planta de Kalanchoe es un endemismo propio de Madagascar, que se encuentra extendido a lo largo de África Oriental, Sudáfrica, Arabia y el Sudeste Asiático (Sharker et al., 2012). Se trata de un género taxonómicamente complejo, perteneciente a la familia de las Crasuláceas que comprende más de 125 especies (Gehrig et al., 2001). Debido a la creciente demanda de productos fitoterapeúticos para el tratamiento de enfermedades y, teniendo en cuenta, que estos compuestos bioactivos se sintetizan en concentraciones muy bajas en las plantas (p. ej.: para la obtención de tan sólo un gramo de bufadienólidos serían necesarias 5,5 t de raíz (Moniuszko-Szajwaj et al., 2016)); el cultivo in vitro se perfila como una estrategia prometedora para la producción a gran escala de compuestos bioactivos con propiedades farmacológicas. En este sentido, el cultivo in vitro de plantas, órganos y células de Bryophyllum, aportaría un mayor rendimiento en la producción de compuestos bioactivos, que el cultivo tradicional. Además, soslayaría sus inconvenientes, tales como su dependencia geoclimática, el cambio climático, la aparición de nuevas plagas agrícolas, la necesidad de grandes extensiones de tierra de cultivo, enorme gasto de agua o fluctuaciones en la producción interanual. En cambio, una de las grandes ventajas del cultivo in vitro, es que, además de ser independiente de todos esos condicionamientos climáticos y de sostenibilidad en los recursos (se desarrolla en condiciones controladas de cultivo), permite incrementar la producción de los compuestos bioactivos generando estrés (mediante elicitores) para inducir la respuesta defensiva de la planta que estimula su síntesis y su acumulación. Objetivos y contenidos básicos del trabajo: El objetivo principal de la tesis doctoral sería optimizar los medios de cultivo in vitro (planta, órganos y suspensiones celulares) de tres especies de Bryophyllum que se emplean en la medicina tradicional: B. daigremontianum, B. tubiflorum y la híbrida entre ambas, Bryophyllum × houghtonii. El segundo objetivo sería la identificación de nuevos compuestos bioactivos seleccionados de diversos órganos y de las suspensiones celulares, y la selección de aquellos de mayor interés farmacológico. Por último, diseñar un protocolo para maximizar la producción de compuestos bioactivos en suspensiones celulares, a partir de determinados órganos de la planta, en función de los resultados anteriores. Metodología: Hasta el momento y según nuestro conocimiento, apenas existe bibliografía sobre el cultivo in vitro de Bryophyllum y no existen publicaciones acerca de la obtención de suspensiones celulares, por tanto, se recurrirá a bibliografía de especies lo más próximas taxonómicamente posible, por lo que se llevará a cabo una extensa búsqueda bibliográfica. A continuación, comenzará la parte experimental con el establecimiento del cultivo in vitro de estas tres especies, diseñando medios de cultivo que maximicen la producción de cada una de ellas. Posteriormente, se identificarán los compuestos de interés y el órgano de la planta donde se acumulan preferentemente. Se aplicarán herramientas de inteligencia artificial (IA) para la modelización del cultivo in vitro. Las redes neuronales artificiales (ANN) y la lógica difusa se han empleado con éxito en la biotecnología vegetal. La modelización de procesos posibilita no solo la comprensión del proceso en sí, sino que también permite predecir y optimizar la producción de metabolitos (Gallego et al., 2011). Se utilizarán diversas técnicas avanzadas como HPLC-Masas, y “omics” (por ejemplo, la metabolómica) para el análisis, identificación y cuantificación.A planta de Kalanchoe é un endemismo propio de Madagascar, que se atopa estendido ao longo de África Oriental, Sudáfrica, Arabia e o Sueste Asiático ( Sharker et al., 2012). Trátase dun xénero taxonómicamente complexo, pertencente á familia das Crasuláceas que comprende máis de 125 especies ( Gehrig et al., 2001). Debido á crecente demanda de produtos fitoterapeúticos para o tratamento de enfermidades e, tendo en conta, que estes compostos bioactivos sintetízanse en concentracións moi baixas nas plantas (p. ex.: para a obtención de tan só un gramo de bufadienólidos serían necesarias 5,5 t de raíz ( Moniuszko- Szajwaj et al., 2016)); o cultivo in vitro perfílase como unha estratexia prometedora para a produción a gran escala de compostos bioactivos con propiedades farmacolóxicas. Neste sentido, o cultivo in vitro de plantas, órganos e células de Bryophyllum, achegaría un maior rendemento na produción de compostos bioactivos, que o cultivo tradicional. Ademais, eludiría os seus inconvenientes, tales como a súa dependencia geoclimática, o cambio climático, a aparición de novas pragas agrícolas, a necesidade de grandes extensións de terra de cultivo, enorme gasto de auga ou fluctuacións na produción interanual. Unha das grandes vantaxes do cultivo in vitro, é que, ademais de ser independente de todos eses condicionamentos climáticos e de sustentabilidade nos recursos (desenvólvese en condicións controladas de cultivo), permite incrementar a produción dos compostos bioactivos xerando estrés (mediante elicitores) para inducir a resposta defensiva da planta que estimula a súa síntese e a súa acumulación. Obxectivos e contidos básicos do traballo: O obxectivo principal da tese doutoral sería optimizar os medios de cultivo in vitro (planta, órganos e suspensións celulares) de tres especies de Bryophyllum que se empregan na medicina tradicional: B. daigremontianum, B. tubiflorum e a híbrida entre ambas, Bryophyllum × houghtonii. O segundo obxectivo sería a identificación de novos compostos bioactivos seleccionados de diversos órganos e das suspensións celulares, e a selección daqueles de maior interese farmacolóxico. Por último, deseñar un protocolo para maximizar a produción de compostos bioactivos en suspensións celulares, a partir de determinados órganos da planta, en función dos resultados anteriores. Metodoloxía: Ata o momento e segundo o noso coñecemento, apenas existe bibliografía sobre o cultivo in vitro de Bryophyllum e non existen publicacións acerca da obtención de suspensións celulares, por tanto, recorrerase a bibliografía de especies o máis próximas taxonómicamente posible, polo que levará a cabo unha extensa procura bibliográfica. A continuación, comezará a parte experimental co establecemento do cultivo in vitro destas tres especies, deseñando medios de cultivo que maximicen a produción de cada unha delas. Posteriormente, identificaranse os compostos de interese e o órgano da planta onde se acumulan preferentemente. Aplicaranse ferramentas de intelixencia artificial ( IA) para a modelización do cultivo in vitro. As redes neuronais artificiais (ANN) e a lóxica difusa empregáronse con éxito na biotecnoloxía vexetal. A modelización de procesos posibilita non só a comprensión do proceso en si, permitindo predicir e optimizar a produción de metabolitos (Gallego et al., 2011). Utilizaranse diversas técnicas avanzadas como HPLC-Masas, e “ omics” (por exemplo, a metabolómica) para a análise, identificación e cuantificación da produción dos compostos de interese en biorreactores a partir de suspensións celulares.The Kalanchoe plant is a endemism typical of Madagascar, which is spread throughout East Africa, South Africa, Arabia and Southeast Asia (Sharker et al., 2012). It is a taxonomically complex genus, belonging to the family of the Crasuláceas that includes more than 125 species (Gehrig et al., 2001). Due to the growing demand for phytotherapeutic products for the treatment of diseases and, taking into account, that these bioactive compounds are synthesized in very low concentrations in plants (e.g., to obtain only one gram of bufadienolides would be necessary 5.5 t of root (Moniuszko-Szajwaj et al., 2016)); In vitro culture is emerging as a promising strategy for large-scale production of bioactive compounds with pharmacological properties. In this sense, the in vitro culture of plants, organs and cells of Bryophyllum, would provide a greater yield in the production of bioactive compounds, than the traditional culture. In addition, it would avoid its inconveniences, such as its geoclimatic dependence, climate change, the appearance of new agricultural pests, the need for large areas of farmland, huge water expenditure or fluctuations in interannual production. On the other hand, one of the great advantages of in vitro culture is that, in addition to being independent of all these climatic conditions and sustainability of resources (it develops under controlled cultivation conditions), it allows to increase the production of bioactive compounds generating stress (by elicitors) to induce the defensive response of the plant that stimulates its synthesis and accumulation. Objectives and basic contents of the work: The main objective of the doctoral thesis would be to optimize the in vitro culture media (plant, organs and cell suspensions) of three species of Bryophyllum that are used in traditional medicine: B. daigremontianum, B. tubiflorum and the hybrid between them, Bryophyllum × houghtonii. The second objective would be the identification of new bioactive compounds selected from various organs and cell suspensions, and the selection of those of greater pharmacological interest. Finally, to design a protocol to maximize the production of bioactive compounds in cell suspensions, from certain organs of the plant, based on the previous results. Methodology: According to our knowledge, there is hardly any literature on the in vitro culture of Bryophyllum and there are no publications about obtaining cell suspensions, therefore, we will resort to bibliography of species as taxonomically as possible, so it will take conducted an extensive bibliographic search. Next, the experimental part will begin with the establishment of the in vitro culture of these three species, designing culture media that maximize the production of each of them. Subsequently, the compounds of interest and the organ of the plant where they accumulate preferentially will be identified. Artificial intelligence (AI) tools will be applied for in vitro culture modeling. Artificial neural networks (ANN) and diffuse logic have been used successfully in plant biotechnology. The modeling of processes allows not only the understanding of the process itself but also allows to predict and optimize the production of metabolites (Gallego et al., 2011). Various advanced techniques such as HPLC-Masses, and "omics" (for example, metabolomics) will be used for the analysis, identification and quantification of the production of the compounds of interest in bioreactors from cell suspensions