مهندسی تولید متابولیت های ثانویه

بعضی از موجودات زنده خصوصاً گیاهان, طیف وسیعی از ترکیباتی موسوم به متابولیت­های ثانویه را تولید می­کنند در مفهوم کلی, متابولیت­های ثانویه ترکیباتی آلی هستند که نقش ضروری در رشد و نمو موجود زنده ندارند گیاهان برای بیوسنتز این مواد انرژی زیادی را به کار می­برند

بعضی از موجودات زنده خصوصاً گیاهان، طیف وسیعی از ترکیباتی موسوم به متابولیتهای ثانویه را تولید میکنند. در مفهوم کلی، متابولیتهای ثانویه ترکیباتی آلی هستند که نقش ضروری در رشد و نمو موجود زنده ندارند.

گیاهان برای بیوسنتز این مواد انرژی زیادی را به کار میبرند. زمانی که این ترکیبات اثری بر رشد و تمایز گیاه نداشته باشند، قاعدتاً باید منافع دیگری داشته باشند. مطالعه در زمینه وظایف این ترکیبات در گیاهان، یک موضوع جذاب و مهم برای بسیاری از پروژههای تحقیقاتی شده است و نقشهای اکولوژیکی تعدادی از این ترکیبات مورد بررسی و تحقیق قرار گرفته است. با مطالعاتی که تاکنون صورت گرفته است، به نظر میرسد که متابولیتهای ثانویه، به عنوان موادی طبیعی، نقشهای اکولوژیکی مهمی در واکنشهای دفاعی گیاهان و همچنین گردهافشانی و انتشار دانههای گیاهان به وسیله حشرات و حیوانات دارند.

بعضی از این ترکیبات به عنوان علفکش و حشرهکش در صنعت استفاده میشوند در حالیکه برخی دیگر کاربرد صنعتی ندارند. دسته بزرگی از متابولیتهای ثانویه کاربرد دارویی و پزشکی دارند. ترکیباتی دیگری از این گروه نیز نقش مهمی در تغذیه انسان و دام دارند.

● تفاوتهای متابولیتهای ثانویه با متابولیتهای اولیه

سلولها خصوصاً سلولهای گیاهی دو دسته از ترکیبات را تولید میکنند؛ متابولیتهای اولیه و متابولیتهای ثانویه.

▪ متابولیتهای اولیه

متابولیتهای اولیه مستقیماً در رشد و متابولیسم درگیر هستند و شامل کربوهیدراتها، لیپیدها، پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک میشوند.

در گیاهان متابولیتهای اولیه طی فرآیند فتوسنتز تولید شده و سپس در ساخت ترکیبات سلول نقشآفرینی میکنند. این ترکیبات در حجم زیاد و با ارزش اقتصادی پایین تولید میشوند و عمدتاً به عنوان ماده خام صنعت، مواد غذایی و افزودنیها کاربرد دارند. روغنهای گیاهی، اسیدهای چرب (برای ساخت صابون و شویندهها) و کربوهیدراتهایی مانند ساکاروز، نشاسته، پکتین و سلولز مثالهایی از متابولیتهای اولیه هستند. قیمت این قبیل ترکیبات به طور میانگین دو دلار در هر کیلو بوده و تولید آنها در حجم انبوه امکانپذیر است. البته برخی از متابولیتهای اولیه مانند میواینوزیتول و بتاکاروتن گران هستند که علت قیمت بالای آنها، سختی استخراج و تخلیص آنها میباشد.

▪ متابولیتهای ثانویه

متابولیتهای ثانویه از بیوسنتز متابولیتهای اولیه به دست میآیند و به عنوان ترکیبات فرعی و انتهایی متابولیسم اولیه در نظر گرفته میشوند. همچنین این ترکیبات در فرآیندهای متابولیسمی وارد نمیشوند. مهمترین متابولیتهای ثانویه آلکالوئیدها، فنولیکها، روغنهای ضروری، استروئیدها، لیگنینها، تاننها، فلاوونوئیدها میباشند.

متابولیتهای ثانویه عمدتاً در گونهها و خانوادههای خاصی از سلسله گیاهان تولید میشوند. این ترکیبات به مقدار کمی در سلول ذخیره شده و عمدتاً در سلولهای تخصصی و در مرحله خاصی از چرخه زندگی گیاه تولید میشوند و همین امر استخراج و تلخیص آنها را در مقایسه با متابولیتهای اولیه که در تمام سلولها تولید میشوند، دشوار میکند.

گیاهان دارویی از لحاظ میزان متابولیتهای ثانویه بسیار غنی میباشند و ترکیبات آنها را در انگلیسی Medicinal یا Officinal مینامند. این ترکیبات که از گروه متابولیتهای ثانویه میباشند، اثرات فیزیولوژیکی عمیقی بر پستانداران دارند و از مهمترین ترکیبات دارویی هستند.

از این گیاهان و اثرات فیزیولوژیک ترکیبات موثره آنها به عنوان داروی خوراکی استفاده شده و در نتیجه این ترکیبات، داروهای گیاهی یا داروهای طبیعی نام گرفتهاند.

استفاده از داروهای با منشا گیاهی بدون انجام فرآوری خاصی، یعنی استفاده از پودر گیاه یا مواد موثره آن بدون خالصسازی عصاره گیاهی، از قدیم رواج داشته و حتی در حال حاضر و در پزشکی مدرن از طیف وسیعی از داروهای با منشا گیاهی استفاده میشود. گرچه تعدادی از این داروها به طور مصنوعی برای مصارف ساخته میشوند ولی هنوز بسیاری از آنها از منابع طبیعی به دست میآیند.

به محض اینکه اثر فیزیولوژیک یک گیاه دارویی خاص کشف شود، تلاشها برای یافتن خصوصیات دقیق شیمیایی ماده موثره آن (داروی گیاهی) و در پی آن، یافتن روش تولید شیمیایی این ترکیبات به طور تجارتی صورت میگیرد.

برای تعیین خصوصیات شیمیایی و شناسایی یک متابولیت ثانویه، جداسازی آن به صورت کاملاً خالص الزامی و اولین قدم است. روشهای جداسازی گوناگون و مراحل آن اکثراً طولانی است.

این نکته را نباید فراموش کرد که در کنار متابولیتهای ثانویه، تعدادی از متابولیتهای اولیه نیز اثرات فیزیولوژیکی قوی دارند. اکثر این ترکیبات پروتئینی بوده و عملکردهای مختلفی دارند. هورمونها و زهر مارها مثالهایی از پروتئینهای با اثرات فیزیولوژیکی قوی هستند. آنتیبیوتیکها، واکسنها و تعدادی از پلیساکاریدها که نقش هورمونی دارند، از جمله متابولیتهای اولیه با اثر فیزیولوژیکی قابل ملاحظه میباشند.

● مسیرهای تولید متابولیتهای ثانویه

اسکلت کربنی متابولیتهای ثانویه از کربوهیدراتها تامین شده و طی فرآیند فتوسنتز ایجاد میشود. متابولیتهای اولیه دیگری که در تولید متابولیتهای ثانویه نقش دارند، اسیدهای آمینه میباشند. استیل کوآنزیم و اسید مِوالونیک نیز نقش مهمی در تولید انواع ترپنوئیدها دارند. مسیر اسید شیکیمیک نیز در تولید لیگنینها و ایندول آلکالوئیدها نقشآفرینی میکند. در شکل ۱ مسیر تولید چند گروه عمده از متابولیتهای ثانویه از متابولیتهای اولیه نشان داده شده است.

● مهندسی تولید متابولیتهای ثانویه در گیاهان

در حال حاضر دستاوردهای زیاد و گوناگونی در مهندسی متابولیک متابولیتهای ثانویه به دست آمده است. مسیرهای بیوشیمیایی مختلفی با استفاده از ژنهای رمزکننده آنزیمهای مهندسیشده و پروتئینهای تنظیمی بررسی شدهاند. در عین حال از ژنهای آنتیسنس نیز برای مسدود کردن مسیرهای بیوشیمیایی و افزایش تولید متابولیت ثانویه خاصی استفاده میشود.

متابولیتهای ثانویه وظایف مختلفی در طول چرخه زندگی گیاه دارند. از جمله این وظایف انجام نقش ترکیبات واسطه در برهمکنش گیاه و محیط اطرافش و برهمکنش گیاه با حشرات، ریزسازوارهها و حتی گیاهان اطراف میباشد.

تولید متابولیتهای ثانویه همچنین ممکن است بخشی از سامانه دفاعی گیاه باشد. این ترکیبات در تولیدمثل گیاهان نیز نقش دارند که از طریق جذب حشرات گردهافشان این کار را انجام میدهند.

متابولیتهای ثانویه گیاهی نقش مهمی در ایجاد کیفیت مواد غذایی (رنگ، طعم و بو) مختلف دارند. همچنین رنگ گیاهان زینتی و گلبرگ گلها که مهمترین خاصیت این گیاهان دسته از گیاهان است، توسط متابولیتهای ثانویه ایجاد میشود. بسیاری از متابولیتهای ثانویه نیز برای تولید دارو، رنگ، حشرهکشها، طعمدهندههای غذایی و عطر استفاده میشوند. به دلیل کاربردهای فراوان، متابولیتهای ثانویه موضوع جالبی برای تحقیقات اصلاح نباتات از طریق فنون ملکولی و مهندسی ژنتیک محسوب میشوند.

در ده سال گذشته تحقیقات چندانی در ارتباط با متابولیتهای ثانویه انجام نشدهاست. مانع بزرگ در انجام این تحقیقات، اطلاعات اندک از مسیرهای تولید زیستی متابولیتهای ثانویه و برهمکنش آنزیمهای درگیر در این مسیر میباشد. همچنین تعداد معدودی از ژنهای مربوط به متابولیتهای ثانویه در دسترس میباشد.

یکی از مسیرهایی که مطالعات بیشتری در سطح ژنهای دستاندرکار آن نسبت به دیگرمتابولیتهای ثانویه انجام شده است، مسیر تولید فلاوونوئیدها و آنتوسیانینها میباشد. اکثر ژنهای درگیر در مسیر تولید آنتوسیانینها همسانهسازی شده و مطالعات فراوانی در سطح بیوشیمیایی، ملکولی و ژنتیک این دسته از متابولیتهای ثانویه صورت گرفته است. یکی از مهمترین دلایل مطالعات بیشتر در این زمینه، آسانی بررسی این مواد از روی رنگ گلها به فنوتیپ قابل غربالگری میباشد.

دیگر مسیر تولید متابولیتهای ثانویه که در سطح آنزیمهای درگیر و مواد واسط مورد مطالعه قرار گرفته است و اهمیت زیادی در داروسازی دارند، ایندول آلکالوئیدها هستند. اما در این مسیر هم ژنهای محدودی مشخص شدهاند.

هدف از مهندسی ژنتیک مسیر یک متابولیت ثانویه، افزایش مقدار یک ماده خاص یا گروهی از ترکیبات و یا حتی کاهش مقدار این ترکیبات میباشد.

برای دستیابی به هدف دوم که کاهش میزان تولید یک ماده خاص یا گروهی از مواد ناخواسته میباشد، راههای مختلفی وجود دارد. ]این مواد ممکن است ترکیبات سمی در یک محصول گیاهی، مواد مانع خالصسازی یک فرآورده صنعتی یا موادی از این دست باشد.[

یکی از این راهها، مسدود کردن یک مرحله از مسیر تولید متابولیت ثانویه و مختل کردن تولید یا فعالیت آنزیم مربوط به ان مرحله میباشد. این هدف میتواند با کاهش میزان mRNA مسئول تولید این آنزیم، با استفاده از فناوری آنتیسنس، RNAi یا ابراز بالای یک آنتیبادی علیه آنزیم مسئول محقق شود. فناوری آنتیسنس به خوبی برای تغییر رنگ گلها استفاده شده است.

راههای دیگر دستیابی به این هدف، تغییر مسیر به سوی مسیرهای موازی یا افزایش کاتابولیسم ماده نهایی میباشد.

اما ممکن است هدف از انجام تحقیقات، افزایش تولید یک ترکیب خاص در گیاه بوده یا انتقال ژنهای مربوط به مسیر تولید یک متابولیت ثانویه به یک گیاه یا یک ریزسازواره مورد نظر باشد. همچنین ممکن است تولید یک ماده جدید که به صورت طبیعی در گیاهان تولید نشود، هدف یک پروژه تولیدی-پژوهشی باشد.

در برخی روشها با تغییر میزان ابراز یک یا چند ژن، بر موانع تولید یک ماده غلبه میکنند و در روشهای دیگر، با حذف مسیرهای موازی (رقابتی) یا کاهش کاتابولیسم ماده مورد نظر، مقدار آن ماده را در گیاه میافزایند.

ایجاد تغییراتی در ابراز ژنهای تنظیمی که کنترل مسیر تولید زیستی متابولیتهای ثانویه را بر عهده دارند نیز از جمله روشهای افزایش یا کاهش تولید ترکیب مورد نظر میباشد.

كسری اصفهانی

منابع:

۱. Ramawat KG, Merillon JM (۱۹۹۹) Biotechnology; Secondary Metabolites. Scien Publisher, NH, USA.

۲. Fiechter A (۱۹۹۰) Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. Springer-Verlag, Berlin.

۳. Vanisree M, Lee CY, Lo SF, Nalawade SM, Lin CY, Tsay HS (۲۰۰۴) Studies on the production of some important secondary metabolites from medical plants by plant tissue cultures. Bot. Bull. Acad. Sin. ۴۵:۱-۲۲.

۴. Verpoorte R, Memelink J (۲۰۰۲) Engineering secondary metabolite production in plants. Curr Opin Biotechnol, ۱۳:۱۸۱-۱۸۷.

۵. Dixon RA (۲۰۰۱) Natural products and plant disease resistance. Nature, ۴۱۱:۸۴۳-۸۴

۶. Forkmann G, Martens S (۲۰۰۱) Metabolic engineering and application of flavonoids. Curr Opin Biotechnol, ۱۲:۱۵۵-۱۶۰.