Pigmenti antiossidanti di origine vegetale

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1 Pigmenti antiossidanti di origine vegetale Dai prodotti naturali all ingegneria genetica per fini nutrizionali Carlo Rosati - ENEA C.R. Trisaia

2 Valore commerciale importazioni di coloranti naturali (1998) UE: >70M US$ USA: >40M US$ Pigmenti: tannini (cortecce, radici) } antociani, flavoni, auroni flavonoidi licopene, caroteni xantofille} carotenoidi indigo (Indigofera spp.) naftochinoni (Henna tree, noce) antrachinoni (Lac tree, cocciniglia, Rubia spp.) benzofironi (logwood) betalaine (Caryophyllales, Amanita,...) clorofilla

3 I principali pigmenti di origine vegetale - Flavonoidi: antociani, flavoni, tannini - Carotenoidi UV epidermide - Betalaine (Caryophyllales, Amanita) - Clorofilla mesofillo epidermide Foglie senescenti Fiori

4 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)

5 Flavonoidi e Carotenoidi hanno proprietà ANTIOSSIDANTI Scavenging di radicali liberi (fumo, smog, alcool,...) R., ROX + anti-ox. Forma inattiva Anti-ossidazione lipidi (protezione membrane cellulari) Anti-U.V./invecchiamento (creme solari, cosmetici) Paradosso francese (resveratrolo, antociani, tannini) Pro-vitamina A, sinergia con vitamine ACE

6 I Flavonoidi Farzad et al., 2003 Cocciolone et al., 2002 Winkel-Shirley, 2001 Jaakola et al., 2001

7 I Flavonoidi Esempi Mirtillo, Ribes, Uva, Melo, Pero, Ciliegio, Rosa,... Lampone, Fragola,... Jaakola et al., 2001

8 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 N 2 fix in piante non-leguminose

9 I Flavonoidi e le Biotecnologie Zuker et al., 2002 Ray et al., S::Lc Shimada et al., 1999 Winkel-Shirley, 2001 Rosati et al., 2003

10 La biosintesi dei Carotenoidi Cunningham & Gantt, 1998

11 I Carotenoidi nelle piante Isoprenoidi Giuliano et al., 2000 Bixa orellana Bouvier et al., 2003 melone, pesca, albicocca... alghe, batteri crostacei Croco Bouvier et al., 2003 pesci, uccelli

12 Il bu$ine$$ dei Carotenoidi...

13 e delle vitamine

14 6-15x Vit.E Cahoon et al., 2003 Carotenoidi e Biotech vegetali Mercato mondiale: >500 M US$ (Albrecht et al., 2000) Isoprenoidi (crtb) Golden canola Shewmaker et al., x pnapin+ TP Golden rice Ye et al., g = 10% RDA Annatto? 0,6-2 US$/kg t = 6-20 M US$ Vari p+geni Crocetina & co.? (1000 /kg) Golden tomato Romer et al., 2000 Rosati et al., x, 120g = 100% RDA Pds+crt Pds + plant Capacità antiossidante 10x β-carotene x vit.e Mann et al., 2000 Astaxanthina? (Patents pending) ( US$/kg, 15% costo produzione salmone)

15 Fonti primarie di carotenoidi importanti dal punto di vista nutrizionale lycopene β-carotene OH HO zeaxanthin

16 Ingegneria nutrizionale della pro-vit.a in pomodoro: sovra-espressione o sotto-espressione della lyβcy B) sovra-espressione Pds β-lcy Nos β-lcy B/NXS Licopene CHY β-carotene A) Fenotipo originale OH HO ZEP VDE Zeaxantina C) Antisenso O OH Pds β-lcy Nos HO Anteraxantina ZEP VDE 200 Lycopene β-carotene Xanthophylls O O OH µg/gm fresh weight 100 HO HO C OH B/NXS Violaxantina OH Neoxantina 0 Overexpressors Parental Antisense Fino a 500 µg beta-carotene / g DW (>300 volte rispetto al Golden Rice)

17 Ingegneria genetica del contenuto di xantofille nel pomodoro: espressione della lyβcy e della β-chy Pds β-lcy Nos β-lcy Lycopene + Pds β-chy Nos β-chy β-carotene OH in Moneymaker β-chy β-cryptoxanthin OH HO Zeaxanthin Pds β-chy Nos in B (IL) Lyco Beta Zea+Cr Lut MM MM(B+C) B(C) B

18 Effetti-paradosso dell ingegneria genetica: il β-carotene che non ti aspetti Grafico tot Xantho b-carotene Lycopene Pds β-chy Nos 0 2_20 3_ T T T T1-3 MM 1 MM 2 Line in Moneymaker Contenuto in carotenoidi SE AVG /3 (3) 42/37 T0 42/37 T1 42/37 T1 42/37 T1 MM (1) (2) (3) Consistenza del frutto

19 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!!!

20 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)

21 Acknowledgments ENEA Carlo Rosati Patrizia Pallara Raffaela Tavazza Leonardo Giliberto Gaetano Perrotta Gianfranco Diretto CNRS Strasbourg Florence Bouvier Bilal Camara Funding: European Commission Italian Ministry of Research Italian Ministry of Agriculture Postdoctoral positions available Contact: Univ Freiburg Johannes von Lintig Ralf Welsch Peter Beyer Univ. Halle Thomas Fester Dieter Strack