Aruna Kumar

un Institut Amity de Biotehnologie, Universitatea Amity Uttar Pradesh, Noida, India

Aarti Sharma

un Institut Amity de Biotehnologie, Universitatea Amity Uttar Pradesh, Noida, India

Kailash C. Upadhyaya

b Institutul Amity de Biologie Moleculară și Genomică, Universitatea Amity Uttar Pradesh, Noida, India

Abstract

1. INTRODUCERE

Uleiurile au o varietate de utilizări în afară de aplicațiile comestibile. Există acum o dovadă din ce în ce mai mare că acizii grași (FA) joacă un rol crucial în nutriția umană, care includ prevenirea terapeutică și profilactică a bolilor, în creșterea și dezvoltarea embrionului uman, funcția creierului și oferă protecție împotriva multor boli grave, cum ar fi cardiovasculare, inflamații. etc. Se știe că multe FA au potențial anticancerigen. Importanța rolului grăsimilor și acizilor grași în nutriția umană câștigă atenție pe măsură ce se fac tot mai multe cercetări. Pe lângă o componentă esențială a dietei umane, FA-urile își găsesc importanța în diverse aplicații industriale, cum ar fi săpunuri și detergenți, produse cosmetice, lubrifianți, cerneală, lac, vopsele etc. Astfel, există o piață în continuă expansiune pentru culturile de semințe oleaginoase, atât din punct de vedere nutrițional, cât și din punct de vedere industrial. În plus, plantele produc o mare varietate de acizi grași cu structuri diferite care le conferă proprietăți fizico-chimice unice și le fac utile.

Odată cu creșterea prețurilor la petrol și epuizarea resurselor naturale, este de multă vreme nevoia de a explora și dezvolta noi surse de acizi grași de importanță atât industrială, cât și nutrițională. Odată cu avansarea înțelegerii etapelor în căile metabolice în sinteza acizilor grași, s-au intensificat încercările în ingineria căilor pentru producerea de acizi grași utili și/sau noi într-un mod rentabil. Uleiurile de designer care produc în mod preferențial acești acizi grași pot fi create și vor fi fezabile din punct de vedere economic și competitive pentru produsele pe bază de petrol.

2. BIOSINTEZA ACIZILOR GRASI ȘI TRIACILGLICEROLI

În mod normal, plantele produc FA care pot avea zero până la trei legături duble. Aceste FA comune întâlnite frecvent includ acidul palmitic (16: 0), acidul stearic (18: 0), acidul oleic (18: 1), acidul linoleic (18: 2) și acidul linolenic (18: 3). La plantele oleaginoase, acești acizi grași sunt depozitați în principal ca triacilgliceroli (TAG), care este forma principală de depozitare în semințe. Aceste lipide pot fi depozitate în cotiledon sau endosperm care sunt utilizate pentru a furniza energie în timpul germinării. Pe lângă TAG, acizii grași există și sub formă de esteri de ceară, de exemplu fructe de jojoba (Simmondsia chinensis).

Acizii grași sunt sintetizați în plastide din acetil-CoA ca substrat de pornire și pe proteina purtătoare de acil (ACP). 1 1 ). Acizii grași sunt apoi eliminați din ACP prin acțiunea enzimei, tioesteraza. Acizii grași liberi se mută în citosol unde sunt încorporați în continuare în grupul de acil-CoA și/sau în grupul de fosfatidilcolină (PC), care apoi suferă modificări precum desaturarea sau hidroxilarea, epoxilarea etc. și are loc includerea lor în TAG. Aceste procese ulterioare apar în reticulul endoplasmatic (ER) al celulelor vegetale [1, 2]. TAG-urile sunt forma majoră de depozitare care se găsește în semințe. Este sintetizat în ER, folosind acil-CoA și glicerol-3-fosfat ca substraturi pe calea Kennedy. Prima enzimă este glicerol-3-fosfat aciltransferază (GPAT), care acilează poziția sn-1 a coloanei vertebrale a glicerolului pentru a forma acid lizofosfatidic (LPA). A doua enzimă a căii este acidul lizofosfatidic aciltransferază (LPAAT) care se acilează în poziția sn-2 pentru a forma acid fosfatidic (PA), care este apoi transformat în diacilglicerol (DAG) de enzima fosfatază a acidului fosfatidic (PAP). O altă aciltransferază, diacilglicerol aciltransferaza (DGAT), formează TAG din DAG folosind ca substrat un acil-CoA [1, 2].

perspectivă

Biosinteza acizilor grași frecvent găsiți la plante. ACP: Proteină acil purtătoare, SUA: Stearoyl ACP desaturază, CoA: Coenzima A, PC: Fosfatidilcolină, FAH12: Acid gras hidroxilază 12, FAD2: Acid gras desaturază 2, FAD3: Acid gras desaturază 3, G3P: Gliceraldehidă-3-fosfat LPA: Acid lizofosfatidic, PA: Acid fosfatidic, PC: Fosfatidilcolină, DAG: Diacilglicerol, TAG: Triacilglicerol, PDAT: Fosfolipid: diacilglicerol aciltransferază, DGAT: acil-CoA: Acil-glderază-acid: LAT-acid: aciltransferază, PAP: fosfatază a acidului fosfatidic, ACS: Acil-CoA sintetază.

Uleiurile vegetale constituie o componentă importantă a dietei umane. Principalele uleiuri vegetale comestibile din punct de vedere al producției includ soia, canola, floarea-soarelui și arahide. Acestea sunt o sursă de FA comestibile (saturate, monoinsaturate sau polinesaturate), care joacă un rol important în metabolismul celular ca modalitate de stocare a energiei și, de asemenea, furnizând energie atunci când este necesar. FA este cunoscut că joacă un rol important în diviziunea și creșterea celulară. Acestea sunt o componentă integrală a membranelor celulare, hormoni, neurotransmițători etc. Aportul diferiților acizi grași are o influență directă asupra sănătății umane. De exemplu, aportul crescut de acizi grași saturați a fost legat de bolile cardiovasculare. Astfel, se consideră de dorit să aveți diete sărace în acizi grași saturați. Pe lângă acestea, unii acizi grași polinesaturați cu lanț foarte lung (VLC-PUFA; C20-C22), cum ar fi acidul arahidonic (ARA; 20: 4), acidul eicosapentaenoic (EPA; 20: 5) și acidul docosahexaenoic (DHA; 22: 6) ).), care sunt de obicei derivate din resurse marine, s-a dovedit că joacă un rol important în nutriția umană.

Diferite căi ale VLC-PUFA au fost identificate în diferite organisme [7, 8, 15, 16]. În calea convențională sau Δ6-desaturare (Fig. 2 2 ), acidul linoleic este mai întâi transformat în acid γ-linolenic (GLA; 18: 3) de către Δ6-desaturaza [15]. Aceeași enzimă convertește, de asemenea, ALA în acid stearidonic (SDA; 18: 4). Următorul pas implică sinteza acidului dihomo-γ-linolenic (DGLA; 20: 3) și a acidului eicosatetraenoic (ETA; 20: 4) prin alungire C2. În etapa finală, Δ5-desaturaza generează respectiv ARA (20: 4) și EPA (20: 5). EPA este în continuare transformat în DHA, prin alungirea C2 de către enzima Δ5-elongaza, urmată de desaturare cu desaturază Δ4-specifică. Calea care duce la sinteza DHA variază, de asemenea, la unele organisme. Cealaltă cale care a fost caracterizată este calea Δ9 sau cunoscută și sub denumirea de cale alternativă. Această cale se găsește în Tetrahymena pyroformis, Pavlova sp. Isochrysis sp. etc, unde LA și ALA suferă alungire de către enzima Δ9-elongază pentru a da acid eicosadienoic și, respectiv, ETA. O Δ8-desaturază specifică acționează asupra acestor substraturi pentru a forma DGLA și, respectiv, ETA și, ca în calea convențională Δ6 menționată mai sus, Δ5-desaturaza transformă acești acizi grași în ARA și EPA [7, 8].

Conversia acidului linoleic în acid arahidonic (ARA) și acid α-linolenic în acid eicosapentaenoic (EPA)/acid docosohexaenoic (DHA).

3. EFECTE BENEFICIALE A ACIZILOR GRASI OMEGA-3

După cum sa menționat mai devreme, PUFA sau mai precis acizii grași omega-3 găsesc o importanță mai mare ca supliment alimentar uman. Sa demonstrat că acizii grași omega-3 reduc riscul bolilor cardiovasculare sau al apariției diabetului de tip 2 (17,18,19). Există dovezi din ce în ce mai mari că acizii grași omega-3 joacă, de asemenea, un rol util în tratarea afecțiunilor precum depresia - o problemă larg răspândită [20]. Sa demonstrat că DHA îmbunătățește sensibilitatea celulelor tumorale cerebrale la medicamente anticancerigene, etopozide (VP16) și terapie [21]. Acizii grași sunt foarte importanți pentru retină și dezvoltarea neuronală și pentru dezvoltarea generală a fătului [19, 22]. Astfel, pudrele de lapte sunt fortificate sau completate cu DHA și ARA pentru dezvoltarea creierului la sugari [22]. Acizii grași omega-6, cum ar fi acidul γ-linolenic și acidul dihomo-γ-linolenic (DGLA), au prezentat activități anticancerigene și au un efect inhibitor asupra proliferării celulare [23].

Datorită beneficiilor lor pentru sănătate, se recomandă să luați omega-3 FA ca supliment alimentar obișnuit. În medie, un adult trebuie să consume 250-2000 mg pe zi de EPA + DHA (FAO) [9]. Prin urmare, există o cerere tot mai mare pentru acești acizi grași. În prezent, după cum sa menționat anterior, sursa principală de VLC-PUFA este uleiul de pește care este în mare parte derivat din resursele marine. Peștii marini se hrănesc cu microalge marine precum diatomeele care sunt sursa primară de PUFA. Cererea mare a acestor FA conduce la pescuitul excesiv. De asemenea, există îngrijorări legate de poluanții de mediu [8]. Alte surse, cum ar fi acvacultura în sine, depind de făina de pește ca sursă de hrană pentru a menține nivelurile de PUFA la peștii de cultură. Astfel, uleiul de pește nu este capabil să satisfacă cererea actuală de acizi grași omega-3, necesitând dezvoltarea unor surse alternative și durabile. În plus, uleiul de in care este bogat în omega-3 FA este, de asemenea, promovat ca supliment nutritiv.

Pentru a obține beneficii ale PUFA, trebuie să luați în considerare aportul de omega-3 FA în raport cu consumul de acizi grași omega-6. Acest lucru se datorează faptului că conversia ALA în EPA și DHA depinde, de asemenea, de cantitatea de aport de acid linoleic. S-a observat că creșterea raportului dintre aportul de acid linoleic și acidul α-linolenic reduce în mod competitiv conversia ALA în acizi grași omega-3 cu lanț mai lung [22, 24]. Există o concurență între acizii grași omega-6 și omega-3 pentru desaturare cu aceeași Δ6-desaturază, adică LA către GLA și ALA în SDA. Un raport de 2: 1 la 6: 1 al acizilor grași omega-6 și omega-3 este considerat bun și recomandat, posibil îmbunătățind sănătatea cardiovasculară, astmul etc. [25, 26]. Acest lucru poate fi realizat prin aportul alimentar de uleiuri care sunt bogate în acid α-linolenic, cum ar fi semințe de in, nucă sau uleiuri vegetale bogate mononesaturate, cum ar fi uleiul de măsline. Există plante precum Camelina sativa cu un conținut foarte ridicat de acid α-linolenic.

4. ACIZI GRASI DE IMPORTANȚĂ INDUSTRIALĂ

Dintre toți acizii grași neobișnuiți, acizii grași hidroxi (HFA) sunt cei mai importanți din punct de vedere industrial. Acidul ricinoleic este un fel de acid hidroxi-gras produs de plantele de ricin (Ricinus communis) din familia Euphorbiaceae. Este produs prin adăugarea grupării hidroxil la acidul oleic de enzima oleat hidroxilază sau acid gras hidroxilază-12 (FAH12). Uleiul de ricin este compus din

90% acid ricinoleic care este stocat ca TAG-uri în semințe. Acidul ricinoleic are diverse aplicații industriale, cum ar fi în nailon, vopsele, acoperiri, lubrifianți etc. Plantele de fasole de ricin sunt singura sursă comercială pentru acest acid gras. Cu toate acestea, un dezavantaj major al plantelor de ricin este prezența unei toxine proteice ricină, care este prezentă în endospermul semințelor de ricin. Ricina are o activitate enzimatică care catalizează îndepărtarea unei porțiuni de adenină dintr-o regiune specifică conservată a ARNr 28S și astfel inhibând sinteza proteinelor de către ribozomi care conțin ARNr 28S depurinat [27]. India este cel mai mare producător de ulei de ricin, urmată de China și Brazilia. Celălalt HFA este acidul lesquerolic (20: 1-OH), produs de lesquerella (Physaria fendleri), din familia Brassicaceae care are și aplicații industriale.

Acidul Erucic este un acid gras cu lanț foarte lung care își folosește utilizarea în multe aplicații industriale, cum ar fi lubrifiantul, filmele din plastic, produsele cosmetice etc. Acest acid gras este produs din acid oleic printr-o serie de reacții catalizate de enzima elongază a acidului gras, FAE1. Este produs în mod normal la niveluri ridicate în soiurile speciale de Brassica napus, cunoscute și sub denumirea de rapiță cu conținut ridicat de acid erucic (HEAR). Alte surse includ Crambe abyssinica, care produce până la 55% -60% acid erucic în uleiul său de semințe. Specia Brassica produce maximum 45-50% acid erucic, care este de obicei încorporat în pozițiile sn-1 și sn-3 ale TAG.

5. INGINERIA GENETICĂ A PLANTELOR PENTRU PRODUCȚIA ACIZILOR GRASI IMPORTANȚI NUTRITIV

Recent, a existat un interes în modificarea genetică a plantelor pentru a produce acizi grași și din punct de vedere nutrițional. Odată cu apariția tehnologiei de inginerie genetică, este acum posibil să se producă uleiuri de designer cu compoziție de acizi grași de dorit. Unul dintre avantajele majore ale utilizării ingineriei genetice este acela de a produce acizi grași nutritivi, care sunt produși în mod normal în specii de plante necultivate sau derivate din surse marine, în culturi care sunt acceptabile în agricultură. Odată ce aceste plante de proiectare sunt create, producția acestor FA poate deveni viabilă din punct de vedere economic și poate înlocui resurse limitate și supraexploatate, cum ar fi viața marină. Iată câteva exemple în care au fost efectuate manipulări genetice, menținând nutriția ca punct focal.

6. PRODUCȚIA OMEGA-3 FAS

7. PRODUCȚIA TRANSGENICĂ DE ACID STEARIDONIC ȘI ACID γ- LINOLENIC

8. PRODUCȚIA TRANSGENICĂ ARA/EPA/DHA

9. PRODUCȚIA ACIZILOR GRASI COMUNI

10. INGINERIE GENETICĂ PENTRU ACIZI GRASI DE IMPORTANȚĂ INDUSTRIALĂ

În trecut, crescătorii de plante au făcut selecție și au dezvoltat soiuri cu randament ridicat în ulei, în mare parte pentru aplicații pe bază de alimente. Pe lângă utilizarea lor în scopuri comestibile, utilizarea uleiului vegetal se extinde acum din punct de vedere nutrițional, până la aplicații pe bază de industrie, la biocombustibili. Acum este posibil să se modifice metabolismul plantelor, în special sinteza, acumularea și compoziția acizilor grași. În plus, mulți acizi grași de o importanță unică, așa cum s-a menționat mai devreme, care fie provin din surse non-vegetale, fie sunt produși de un repertoriu de plante care nu pot fi cultivate comercial. Astfel, ingineria genetică oferă o oportunitate de a transfera gene care codifică producția de acizi grași noi de importanță industrială, precum și nutrițională pentru culturile de semințe oleaginoase și de a produce uleiuri de designer bazate pe aplicații.

11. PRODUCȚIA ACIZILOR GRASI HIDROXICI LA PLANTELE NATIVE

Acizii grași neobișnuiți, cum ar fi acizii grași hidroxi, au o importanță imensă, deoarece servesc drept materie primă pentru diferite aplicații industriale. Acidul ricinoleic este un tip de acid gras hidroxi care se acumulează în semințele de ricin. Acidul ricinoleic este produs prin acțiunea enzimei ∆12-hidroxilază (FAH-12) prezentă în reticulul endoplasmatic (ER) și este stocată sub formă de triacilgliceroli (TAG) [57]. Enzima ∆12-hidroxilază transferă gruparea hidroxil în poziția delta-12 a acidului oleic. Semințele de ricin conțin până la 80-90% acid ricinoleic. Când gena ∆12-hidroxilază a fost exprimată în planta Arabidopsis, plantele transgenice au acumulat HFA

17% din uleiul de semințe [58]. Rezultate similare au fost observate la Brassica napus [59] și Camelina [60]. Această acumulare este mult mai mică în comparație cu plantele de ricin, indicând faptul că există alți factori implicați în acumularea acestui acid gras neobișnuit. De fapt, plantele care produc mai mult de 20% HFA au un conținut redus de ulei și viabilitatea semințelor, indicând faptul că acest acid gras neobișnuit are un rol în fiziologia semințelor [61]. Astfel, exprimarea numai a genei pentru FAH-12 este insuficientă pentru a produce acid ricinoleic în scop industrial, deoarece alte gene joacă un rol și în sinteza și acumularea de acizi grași hidroxi.

S-a propus, de asemenea, că nivelurile scăzute de acumulare neobișnuită de acizi grași în plantele transgenice se datorează ciclului inutil al β-oxidării, așa cum a fost analizat în plantele transgenice care exprimă proteina tioesterază a laurilului-acilului de golf din California [71]. Astfel, factori multipli par să influențeze sinteza și acumularea acizilor grași.

12. INGINERIA GENETICĂ A PLANTELOR PENTRU PRODUCȚIA ACIDULUI ERUCIC

Pe lângă HFA și acidul erucic, ingineria genetică a fost utilizată pentru a modifica uleiurile vegetale și pentru producerea altor acizi grași importanți industrial. De exemplu, exprimând o desaturază plastidială ∆9-16: 0-ACP proiectată de la Doxantha unguis-cati, reglarea descendentă a cetoacil-ACP sintaza II 16: 0 elongază și coexpresia 16: 0-ACP desaturazelor fungice au condus la producție de până la

71% acizi grași w-7 în Arabidopsis. Acest nivel este comparabil cu cel al semințelor Doxantha [78]. În mod similar, acidul lauric (12: 0) este un tip de acid gras saturat, cu lanț mediu, care este utilizat pe scară largă pentru producerea săpunurilor și detergenților. Principalele surse ale acestui FA sunt nuca de cocos și palmierul. Ca alternativă, uleiurile vegetale bogate în acid lauric au fost obținute prin exprimarea unei gene heteroloage tioesterazice sub un promotor de napină specific semințelor. Această enzimă care are o specificitate ridicată pentru lauroil-ACP, eliberează acidul lauric în bazinul de lipide. Această genă, exprimată în canola, a produs până la 50% acid lauric [79]. O creștere suplimentară de 5% a conținutului de acid lauric a fost realizată prin exprimarea unei gene pentru acidul lizofosfatidic aciltransferază (LPAAT) [80]. (Masa 1 1 ) rezumă încercările făcute pentru producția transgenică de FA de importanță nutrițională și industrială.

Tabelul 1).

Ingineria genetică a plantelor pentru producerea de FA de importanță nutrițională și industrială.