Informations

Quels sont les avantages (évolutifs) du transport secondaire ?

Quels sont les avantages (évolutifs) du transport secondaire ?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Le transport actif secondaire utilise des gradients électrochimiques comme source d'énergie pour le transport ascendant des substrats (couplé au transport descendant de l'ion).

Cependant, sauf dans quelques cas (par exemple, les chaînes de transport d'électrons), le gradient électrochimique est formé par des pompes ATPase qui utilisent l'énergie de l'ATP pour pomper les ions.

Alors pourquoi ne pas simplement utiliser l'ATP en premier lieu (et ne pas avoir à configurer le gradient). (Je comprends que les gradients sont utiles pour la signalisation, les potentiels d'action, etc., mais c'est un problème distinct.) c'est-à-dire Quel est l'avantage du transport secondaire.

Ma spéculation (complète) : le transport secondaire est-il peut-être utilisé parce qu'il permet une sorte de régulation inhérente. Arrêtez la pompe de formation de gradient et vous arrêtez immédiatement tout le transport secondaire utilisant ce gradient particulier ? Si tel est le cas, les protéines de transport secondaires sont-elles dans des groupes avec des fonctions/voies similaires utilisant le même gradient ?


Je pense qu'une analogie facile pour expliquer pourquoi cette approche évolue est de penser à la façon dont les humains utilisent l'électricité (ou l'énergie plus largement).

Bien qu'il soit possible d'avoir des générateurs d'électricité localisés (par exemple, un panneau solaire sur une simple calculatrice), il est généralement plus efficace d'avoir une production d'électricité centralisée. Avec cette organisation, les modifications apportées aux machines de production d'électricité peuvent être effectuées sans qu'aucune modification ne soit nécessaire pour l'utilisateur final. Si la centrale électrique améliore l'efficacité de 10 %, cela améliore l'efficacité de l'ensemble du système sans qu'il soit nécessaire de changer chaque ampoule, réfrigérateur et chargeur de téléphone.

Une fois qu'un gradient d'ions est établi, différents systèmes indépendants peuvent l'utiliser pour effectuer des tâches autrement défavorables sur le plan énergétique. Bien sûr ce n'est pas le seul façon dont l'évolution pourrait se dérouler : comme cela est lié dans un commentaire, il existe plusieurs explications générales pour lesquelles l'évolution ne produit pas toutes les combinaisons possibles. Là sommes en fait beaucoup de protéines qui utilisent directement l'ATP.

L'ATPase sodium-potassium qui alimente l'un des principaux systèmes de transport secondaire est particulièrement intéressante car elle se déplace 5 ions à la fois, ce qui le rend très efficace. Il gaspillerait de l'ATP s'il n'échangeait que 2 ions à la fois. En produisant ce gradient, d'autres protéines peuvent ensuite évoluer pour utiliser ce gradient à un niveau d'énergie approprié plutôt que de devoir travailler sur une base "1 ATP = 1 cycle".


Métabolites secondaires : signification, rôle et types

Les plantes produisent des milliers de types de produits chimiques. Certains des composés organiques comme les glucides, les graisses, les protéines, les acides nucléiques, les chlorophylles, les hèmes sont nécessaires à leurs processus métaboliques de base et se trouvent dans tout le règne végétal. Ces composés organiques sont appelés métabolites primaires ou biomolécules. Ceux-ci sont produits en grande quantité et peuvent être facilement extraits des plantes.

De nombreuses plantes, champignons et microbes de certains genres et familles synthétisent un certain nombre de composés organiques qui ne sont pas impliqués dans le métabolisme primaire (photosynthèse, respiration et métabolisme des protéines et des lipides) et semblent n'avoir aucune fonction directe dans la croissance et le développement des plantes. Ces composés sont appelés métabolites secondaires (produits végétaux secondaires ou produits naturels) (tableau 9.7).

Ces composés sont accessoires plutôt que centraux au fonctionnement des plantes dans lesquelles ils se trouvent. Ces composés sont produits en petites quantités et leur extraction de la plante est difficile et coûteuse.

Ils s'accumulent en petites quantités uniquement dans des parties spécifiques des plantes. Ce sont des dérivés de métabolites primaires. Par la culture de cellules végétales dans des milieux de culture, des métabolites secondaires peuvent être produits à grande échelle.

Rôle des métabolites secondaires :

(1) Certains d'entre eux attirent les animaux pour la pollinisation et la dispersion des graines.

(2) Ils sont utilisés par les plantes dans leur défense contre les herbivores et les agents pathogènes.

(3) Ils agissent comme des agents de compétition plante-plante.

(4) Ils sont utilisés dans la fabrication de médicaments, d'insecticides, d'arômes, de pigments, d'odeurs, de caoutchouc, d'épices et d'autres matériaux industriels tels que les gommes, les résines pour le bien-être humain.

Types de métabolites secondaires :

Ces métabolites secondaires sont très nombreux, de nature chimiquement diverse et appartiennent à trois groupes.


Introduction

Les amphioxus (également appelés lancelets ou céphalochordés) forment l'un des trois sous-phylums chordés, avec les urochordés (voir Glossaire, Encadré 1) et les vertébrés (Schubert et al., 2006) (Fig. 1A). Ils forment un petit groupe comprenant environ 35 espèces (Poss et Boschung, 1996). Le nombre de genres au sein du sous-phylum des céphalochordés a longtemps été débattu, mais des études récentes de phylogénétique moléculaire montrent que les céphalochordés sont divisés en trois genres (Kon et al., 2007) (Fig. 1B) : Branchiostome, Epigonichthys et Asymétrie.

Décrites pour la première fois en 1774 (Pallas, 1774), les lancettes étaient classées parmi les mollusques et étaient appelées Limax lanceolatus. Plus tard, en 1834, ils ont été rebaptisés comme Branchiostoma lubricus (Costa, 1834) et classés comme animaux étroitement apparentés aux vertébrés. Le premier à utiliser le nom d'Amphioxus fut William Yarrell, qui les nomma Amphioxus lanceolatus et pour la première fois décrit leur notocorde (voir Glossaire, Encadré 1), le trait morphologique déterminant des cordés (Yarrell, 1836). Après ces premières études, et jusqu'au début du 20ème siècle, l'amphioxus était considéré comme un vertébré. Un consensus a ensuite été atteint selon lequel les amphioxus étaient considérés comme les plus proches parents vivants des vertébrés, les urochordés représentant la lignée de chordés la plus divergente à la base. Ces relations évolutives étaient basées sur des caractéristiques morphologiques et sur certaines études moléculaires de gènes d'ARNr (Winchell et al., 2002). Cependant, en 2006, sur la base d'analyses de grands ensembles de données moléculaires, il a été établi que les céphalochordés représentent la lignée de chordés la plus divergente à la base, étant le groupe frère des urochordés et des vertébrés (Bourlat et al., 2006 Delsuc et al., 2006) ( figure 1A).

L'anatomie adulte de l'amphioxus est semblable à celle d'un vertébré, mais plus simple. L'amphioxus possède des caractères cordés typiques, tels qu'un tube neural creux dorsal et une notocorde, un intestin ventral et un pharynx perforé avec des fentes branchiales, des muscles axiaux et des gonades segmentés, une queue post-anale, un rein pronéphrique et des homologues de la glande thyroïde et adénohypophyse (l'endostyle et la fosse pré-orale, respectivement) (Fig. 2A). Cependant, ils manquent de structures typiques spécifiques aux vertébrés, telles que des organes sensoriels appariés (yeux ou oreilles formant des images), des appendices appariés, des cellules de la crête neurale et des placodes (voir Glossaire, Encadré 1) (Schubert et al., 2006). Cette simplicité peut également être étendue à la structure du génome de l'amphioxus. En effet, deux cycles de duplication du génome entier se sont produits spécifiquement dans la lignée des vertébrés. Cette

Encadré 1. Glossaire

benthique. Vivre au fond ou à proximité du fond de la mer ou d'un lac.

Cirri. Processus externes minces autour de la bouche de l'amphioxus, qui fonctionnent comme le premier filtre pendant l'alimentation en éliminant les particules grosses ou nocives indésirables.

Coopté. Lorsqu'un gène, un organe ou une structure existant est recruté pour une nouvelle fonction au cours de l'évolution.

Cyclostomes. Groupe frère de gnathostomes, composé de myxines et de lamproies.

Barres branchiales. Les structures cartilagineuses de chaque côté du pharynx localisées entre les fentes branchiales de l'amphioxus.

Gnathostomes. Vertébrés à mâchoires articulées.

Segmentation holoblastique. Clivage de l'embryon entier ou du zygote qui peut être égal, résultant en des cellules sœurs de tailles similaires, ou inégales, donnant naissance à des cellules sœurs de tailles différentes. Différentes espèces d'amphioxus présentent une segmentation holoblastique différente.

Notochorde. Une structure squelettique allongée présente dans tous les embryons de chordés trouvés dorsalement à l'intestin et ventral à la corde nerveuse. Chez la plupart des chordés adultes, il disparaît ou devient fortement modifié dans l'amphioxus adulte, il persiste sous forme de bâtonnet squelettique.

Oligolécithal. Petits œufs à faible teneur en vitellus (c'est-à-dire en jaune d'œuf).

Organisateur. Un centre de signalisation embryonnaire situé à la lèvre dorsale du blastopore qui joue un rôle crucial dans l'organisation et la formation des principaux axes du corps d'un embryon en développement.

Orthologue. Gènes homologues dérivés par spéciation d'un gène ancestral.

Paralogue. Gènes homologues dérivés par duplication de gènes à partir d'un gène ancestral.

Placode. Zone d'épaississement dans l'ectoderme embryonnaire non neural dans lequel certains organes ou structures spécifiques se forment plus tard.

Planctonique. Vivre, flotter ou dériver dans l'océan ou dans les plans d'eau douce.

Polyploïdisation. Un processus qui produit un changement numérique dans tout un ensemble de chromosomes dans un organisme donné.

Mûr. L'état des animaux adultes capables de libérer des gamètes.

Synapomorphie. Un caractère partagé par deux ou plusieurs taxons et leur ancêtre le plus proche.

Urochordés (également appelés tuniciers). Un groupe frère de vertébrés, caractérisé par une épaisse couche de couverture sécrétée (une « tunique ») et la présence d'une notochorde dans la larve.

(l'hypothèse 2R) (Ohno, 1970) a été largement acceptée, bien que différentes propositions aient été faites, et soient encore débattues, concernant le nombre et le moment des duplications (Fig. 1C) (Friedman et Hughes, 2001 Kuraku et al ., 2009 Skrabanek et Wolfe, 1998). Ces deux duplications de génomes ont été étayées de manière convaincante par le séquençage complet du génome de plusieurs espèces de chordés (Dehal et Boore, 2005). Les conséquences de ces duplications sont que pour chaque gène d'amphioxus, un groupe d'un à quatre paralogues (voir Glossaire, Encadré 1) peut être trouvé dans le génome des vertébrés (les pertes de gènes secondaires expliquent les variations du nombre précis de paralogues). De plus, le génome d'amphioxus « pré-dupliqué » possède un représentant de presque tous les membres de toutes les familles de gènes qui ont vraisemblablement existé dans l'ancêtre des chordés, contrairement à la situation dans les deux autres sous-embranchements de chordés, les urochordés et les vertébrés, qui ont ont spécifiquement perdu différents membres de ces familles de gènes (par exemple les familles d'homéobox, de tyrosine kinase ou de récepteurs nucléaires) (Bertrand et al., 2011a D'Aniello et al., 2008 Takatori et al., 2008).

Relations phylogénétiques entre les sous-phylums de cordés. (UNE) Le phylum des cordés peut être divisé en trois sous-phylums : les céphalochordés (amphioxus), qui ont une position basale de vertébrés et d'urochordés. (B) Le sous-embranchement des céphalochordés est divisé en trois genres : Branchiostome, Epigonichthys et Asymétrie. (C) Comparaisons d'amphioxus, Ciona intestinalis et les génomes des vertébrés confirment que deux cycles de duplication du génome entier se sont produits spécifiquement dans la lignée des vertébrés. Les flèches indiquent les points d'évolution auxquels les deux duplications complètes du génome se sont produites. Le premier événement de duplication (flèche rouge) aurait eu lieu à la base de la lignée des vertébrés, avant la scission cyclostome-gnathostome, alors que le moment exact de la deuxième duplication du génome (flèches bleues) est encore sujet à débat.

Relations phylogénétiques entre les sous-phylums de cordés. (UNE) Le phylum des cordés peut être divisé en trois sous-phylums : les céphalochordés (amphioxus), qui ont une position basale de vertébrés et d'urochordés. (B) Le sous-embranchement des céphalochordés est divisé en trois genres : Branchiostome, Epigonichthys et Asymétrie. (C) Comparaisons d'amphioxus, Ciona intestinalis et les génomes des vertébrés confirment que deux cycles de duplication du génome entier se sont produits spécifiquement dans la lignée des vertébrés. Les flèches indiquent les points d'évolution auxquels les deux duplications complètes du génome se sont produites. Le premier événement de duplication (flèche rouge) aurait eu lieu à la base de la lignée des vertébrés, avant la scission cyclostome-gnathostome, alors que le moment exact de la deuxième duplication du génome (flèches bleues) est encore sujet à débat.

Ainsi, la simplicité morphologique et génomique de l'amphioxus, ainsi que sa position phylogénétique clé en font un modèle animal inestimable pour comprendre la transition évolutive invertébré-chordé à vertébré.


Habitats et cycles de vie des tuniciers

Les tuniciers peuvent être trouvés dans tous les milieux marins. Les ascidies vivent attachées au fond des mers, aussi bien dans les eaux peu profondes que dans l'océan profond (Kurabayashi et al., 2003). En plus de leur habitat naturel, la navigation mondiale et le réchauffement climatique ont conduit à la propagation de nombreuses ascidies dans des environnements non indigènes. Certaines espèces envahissantes, en particulier l'aplousobranche Didemnum vexillum, peut fortement affecter les écosystèmes locaux et l'industrie aquacole (Lambert et Lambert, 2001). Les thaliacés et les appendiculaires sont des organismes pélagiques (voir glossaire, encadré 1) communs dans la plupart des océans. Les appendiculaires forment une composante majeure du zooplancton (Bone, 1998). Leurs maisons abandonnées (Fig. 1G) contribuent à la formation de neige marine (voir Glossaire, Encadré 1) et sont une importante source de nourriture pour d'autres organismes pélagiques (Gorsky et al., 2005).

Les stratégies de reproduction sont diverses au sein du sous-embranchement et comprennent à la fois des cycles sexuels et asexués. Appendiculaires et ascidies solitaires, comme C. intestinalis et H. roretzi, n'ont qu'un cycle de vie sexuel. À l'exception de O. dioica, tous les tuniciers sont hermaphrodites. La durée de leur cycle de vie sexuelle varie de quatre jours (Oikopleura) à plusieurs années (voir tableau 1). Pour éviter la consanguinité, les ascidies ont développé un mécanisme d'autostérilité, tel qu'il a été initialement étudié en Ciona par T. H. Morgan (Morgan, 1944), similaire à celui développé par les plantes à fleurs et impliquant l'interaction entre la polycystine-1 hautement polymorphe et les protéines de type fibrinogène (Harada et al., 2008). Leur cycle de vie sexuel produit classiquement une larve de têtard nageant librement, qui ne vit que quelques jours avant de subir une métamorphose étendue au cours de laquelle de nombreux tissus larvaires, dont la queue larvaire et la plupart des neurones, subissent une apoptose (Chambon et al., 2002) . La formation des organes adultes est encore imparfaitement comprise et peut varier selon l'organe. Bien qu'un champ cardiaque modelé se forme pendant l'embryogenèse et survit à la métamorphose (Davidson, 2007), il a été récemment proposé que le système nerveux adulte provienne de cellules larvaires épendymaires ayant des propriétés de type tige neurale (Horie et al., 2011).

Cycles de vie sexués et asexués des ascidies. Projections tridimensionnelles des empilements confocaux par le développement Ciona intestinalis embryons. (UNE) Un embryon de 16 cellules, avec les cellules végétales marquées. (B) Un embryon de 64 cellules. (C) Un embryon à mi-gastrula. (,RÉ') Embryons mi-caudaux. (E) Une larve. (A, B) Le blastomère B5.1 et sa descendance stéréotypée au stade 64 cellules sont indiqués en vert clair. (D′,E) Coupes longitudinales. Notez la symétrie bilatérale des embryons précoces et la notocorde proéminente (rouge) aux stades des bourgeons caudaux, qui se vacuole aux stades larvaires. Images reproduites avec l'aimable autorisation de la base de données FABA (Four-Dimensional Ascidian Body Atlas) (Hotta et al., 2007).

Cycles de vie sexués et asexués des ascidies. Projections tridimensionnelles d'empilements confocaux par le développement Ciona intestinalis embryons. (UNE) Un embryon de 16 cellules, avec les cellules végétales marquées. (B) Un embryon de 64 cellules. (C) Un embryon à mi-gastrula. (,RÉ') Embryons mi-caudaux. (E) Une larve. (A, B) Le blastomère B5.1 et sa descendance stéréotypée au stade 64 cellules sont indiqués en vert clair. (D′,E) Coupes longitudinales. Notez la symétrie bilatérale des embryons précoces et la notocorde proéminente (rouge) aux stades des bourgeons caudaux, qui se vacuole aux stades larvaires. Images reproduites avec l'aimable autorisation de la base de données FABA (Four-Dimensional Ascidian Body Atlas) (Hotta et al., 2007).

En plus de leur cycle de vie sexuel, les thaliacés et les ascidies coloniales (voir glossaire, encadré 1), telles que B. schlosseri, se reproduisent de manière asexuée par bourgeonnement sans passer par un stade de développement semblable à celui d'un têtard. Les salpes, par exemple, alternent leurs stades de reproduction sexuée et asexuée : les individus asexués solitaires éclosent d'une chaîne d'individus sexués (Fig. 1D, pointe de flèche Fig. 1E), qui à leur tour produisent des individus asexués solitaires (Bone et al., 1985). Chez les ascidies coloniales, la larve obtenue par reproduction sexuée se métamorphose en un individu adulte primaire, ou zooïde, qui se reproduit de manière asexuée pour produire une colonie clonale, telle que celle illustrée sur la figure 1C. Ce cycle de vie asexué, appelé blastogenèse, a évolué indépendamment plusieurs fois, comme l'indique la dispersion des organismes coloniaux dans la phylogénie des tuniciers et la variété de leurs stratégies de bourgeonnement (e.g. Berrill, 1948). La blastogenèse a été largement étudiée chez les ascidies. B. schlosseri. De façon très coordonnée, les individus adultes d'une colonie subissent une apoptose chaque semaine et sont remplacés par de nouveaux zooïdes dérivés d'une population de cellules souches somatiques (Voskoboynik et al., 2008). Une population de cellules souches indépendante régénère la lignée germinale (Laird et al., 2005a). Un programme de régénération distinct, celui de la régénération du corps entier, est activé lorsque les bourgeons et les zooïdes de B. schlosseri les colonies sont enlevées chirurgicalement, ne laissant que le système vasculaire et la tunique (Voskoboynik et al., 2007), ou lorsqu'elles sont petites Botrylloïdes lixiviation des fragments de vaisseaux sanguins sont cultivés (Rinkevich et al., 2007).


Remerciements

Nous tenons à remercier nos collègues : Alejandro Fábregas Tejeda de l'Instituto de Biología de l'UNAM pour sa lecture critique et ses commentaires sur l'histoire des sciences Silvia Juárez Chavero et Teresa Jiménez Segura pour son assistance technique Prof. Edmundo Calva de l'Instituto de Biotecnología et Prof. David Romero du Centro de Ciencias Genómicas de l'UNAM pour leur lecture critique. Nous tenons également à remercier les deux relecteurs anonymes qui ont grandement contribué à la forme finale du manuscrit par leur lecture critique et leur contribution. Parsifal Fidelio Islas- Morales est doctorant du « Programa de Doctorado en Ciencias Biomédicas, Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) et a reçu la bourse CONACyT 495217


L'histoire à succès (évolutive) des transporteurs ABC [Laboratoires Gaudet et Murray]

Les machines moléculaires sous-tendent la grande diversité du monde vivant et sont le résultat de millions d'années de sélection pour les optimiser pour des tâches biochimiques particulières. Si un gène ancestral d'une protéine est dupliqué et que les deux copies évoluent selon des voies différentes, elles peuvent acquérir des fonctions apparentées mais différentes. Pour certaines familles de protéines particulièrement réussies, ce processus de duplication et de divergence a été répété plusieurs fois pour créer de nombreux membres d'une famille de protéines, chacun remplissant une fonction différente. Une question centrale dans l'évolution moléculaire est de savoir comment l'évolution modifie la séquence de ces membres de la famille pour produire de nouvelles fonctions moléculaires.

Dans les laboratoires de Rachelle Gaudet et Andrew Murray, Sriram Srikant a cherché à répondre à cette question, en combinant l'expertise des deux laboratoires en biochimie des protéines et en génétique évolutive. Les transporteurs de cassettes de liaison à l'ATP (ABC) sont un cas particulièrement intéressant d'évolution des protéines, car ils constituent la plus grande superfamille de protéines que nous connaissions. Comme son nom l'indique, ces protéines utilisent l'énergie chimique de l'hydrolyse de l'ATP pour alimenter le transport des substrats à travers les membranes biologiques. Au cours des 20 dernières années, la biochimie et la biologie structurale ont révélé un mécanisme moléculaire conservé pour une grande sous-famille de ces transporteurs dont les membres sont présents dans toutes les espèces connues et ont évolué pour transporter une vaste gamme de molécules. Compte tenu de leur architecture et de leur mécanisme conservés, comment la variation de la séquence de ces transporteurs ABC explique-t-elle leur capacité à transporter une si large gamme de substrats, tout en maintenant le mécanisme biophysique conservé ?

Les exportateurs ABC ont deux domaines transmembranaires pseudo-dimères avec 6 hélices chacun (gris), attachés à des domaines ATPase cytoplasmiques (jaunes) qui transportent un substrat (cercle vert) à travers les membranes biologiques (à gauche). Il existe une grande taille de cible pour les mutations (points magenta) qui affectent la sélectivité du substrat, dont beaucoup ont des effets additifs qui permettent aux transporteurs homologues en évolution d'exporter divers substrats (cercle vert, ovale orange, rectangle rouge).

Sriram a profité d'un ensemble d'exportateurs ABC apparentés qui exportent une classe de phéromones fongiques qui induisent la première étape de l'accouplement. Les phéromones de cette classe sont de petits peptides avec une queue lipidique attachée à leur extrémité C-terminale. Ils sont produits dans le cytoplasme puis exportés à partir des cellules par des exportateurs ABC dédiés. La séquence peptidique de ces phéromones varie entre les différentes espèces fongiques et la sélectivité du substrat des transporteurs semble avoir coévolué avec leurs phéromones apparentées. Cette propriété a permis de reformuler l'évolution moléculaire de la spécificité du substrat comme un problème expérimentalement traitable : quelles mutations dans un exportateur de phéromone d'une espèce (Yarrowia lipolytica) lui permettre de transporter la phéromone de la levure de bière (Saccharomyces cerevisiae), alors que 320 millions d'années se sont écoulées depuis que les deux levures partagent un ancêtre commun ?

Les transporteurs sont connus sous le nom de Ste6 et les substrats sous le nom de une-facteurs, donc la question devient quelles mutations dans Y. lipolytica Ste6 lui permettrait de transporter une-facteur de S. cerevisiae. Pour rendre compte de l'exportation de phéromone, Sriram a conçu S. cerevisiae cellules pour exprimer la une-facteur récepteur de sorte qu'une même cellule puisse à la fois sécréter et répondre à la phéromone en induisant l'expression d'une protéine fluorescente. Les Y. lipolytica Ste6 peut à peine exporter une-facteur de S. cerevisiae, permettant de sélectionner des transporteurs mutés pour des versions du transporteur qui s'exportent mieux une-facteur et ainsi produire un signal fluorescent plus fort.

Sriram a découvert qu'un certain nombre de mutations dans le domaine transmembranaire de Y. lipolytica Ste6 a amélioré sa capacité de transport une-facteur. Fait intéressant, ces mutations ne se limitent pas à une seule petite région qui ressemblerait au site de liaison au substrat d'une enzyme, mais sont réparties sur toute la longueur des hélices qui forment la grande cavité transmembranaire. Il a découvert que les clones sélectionnés présentent de multiples mutations, dont beaucoup contribuent individuellement à modifier la sélectivité du substrat. L'effet des mutations individuelles est à peu près additif, permettant à un ensemble de mutations, chacune avec un effet individuel détectable, de produire une forte augmentation de la capacité d'un transporteur à exporter un substrat qu'il n'a pas vu depuis des millions d'années. La combinaison d'une grande taille de cible pour les mutations qui peuvent altérer la spécificité du transport, les mutations avec de grands effets bénéfiques et les mutations qui peuvent se combiner au moins de manière additive contribuent à l'"évolutivité" spectaculaire de la sélectivité du substrat du transporteur ABC.

Les travaux futurs impliqueraient la mutation de transporteurs dont la fonction actuelle est de transporter des substrats encore plus radicalement différents pour voir si les trajectoires mutationnelles qui modifient ce qu'un transporteur exporte deviennent plus restreintes car les substrats sont plus chimiquement différents. L'espace des trajectoires mutationnelles disponibles est-il suffisamment grand pour que les séquences de transporteurs fonctionnellement orthologues ne soient pas plus proches les unes des autres que des transporteurs éloignés les uns des autres ? Le système de sélection pourrait également être adapté pour étudier l'évolution moléculaire d'autres protéines dans la cascade d'accouplement des champignons, y compris les membres d'autres grandes familles de protéines comme les récepteurs couplés aux protéines G et les cascades de MAP kinases.


Production de métabolites secondaires | Biotechnologie

Dans cet article, nous discuterons de: - 1. Stratégies de base pour la production de métabolites secondaires 2. Facteurs affectant la production de la production de métabolites secondaires 3. Stratégies spécialisées 4. Réglementation.

Au début de la culture de tissus végétaux, les études étaient fortement axées sur l'évaluation fondamentale de la nutrition, de la croissance et de la différenciation. Plusieurs avancées dans les techniques de culture cellulaire et tissulaire ont eu lieu après 1960 et ont ouvert de nouvelles voies pour la commercialisation des techniques in vitro.

Les réalités sur les potentialités des cellules végétales pour la production in vitro de métabolites secondaires ont pris un élan significatif au cours de cette période. La contribution de Jones et de ses associés sur les techniques de culture cellulaire a jeté les bases de la production de métabolites secondaires.

Les usines sont armées de plusieurs produits chimiques fins qui sont d'une immense valeur dans l'industrie pharmaceutique. Il y a eu plusieurs efforts persistants pour accomplir des stratégies de culture tissulaire pour la production de métabolites secondaires pharmaceutiquement importants. Les métabolites secondaires végétaux les plus couramment mentionnés sont les composés phytochimiques, qui comprennent les alcaloïdes, les composés phénoliques végétaux et un groupe diversifié de terpènes.

Les plantes sont armées de ces composés phytochimiques qui s'expriment essentiellement en réponse à des facteurs environnementaux tels que les ultraviolets, l'intensité lumineuse et les fonctions liées à la défense contre les attaques microbiennes et nuisibles. Des conclusions antérieures sur les métabolites secondaires ont montré que leur production dans les plantes ne participe pas à la croissance et au développement des plantes.

Mais, des preuves récentes ont prouvé que ces composés phytochimiques participent activement aux fonctions de défense des plantes et aux mécanismes de signalisation. Les métabolites primaires contribuent massivement à la production de métabolites secondaires par des voies spécialisées communes à toutes les plantes.

Plusieurs métabolites secondaires sont utiles dans les industries cosmétiques, notamment la shikonine et le jus d'aloès pour le traitement de la peau. De plus, plusieurs insectifuges, agents colorants et aromatisants ont également été remarqués comme composés potentiellement utiles (tableau 12.2).

Réalisant le potentiel économique des composés phytochimiques très exigeants, la technologie de la culture cellulaire est devenue de plus en plus importante pour la production de métabolites secondaires. La première production commerciale de shikonine par culture cellulaire utilisant Lithospermum erythrorhizone en 1983 a attiré les chercheurs dans un scénario global. Le nombre de brevets délivrés au Japon montre que les métabolites secondaires ont décroché la majeure partie des brevets entre 1975 et 1985.

Bien que la production de métabolites secondaires en culture cellulaire soit faisable, leurs facteurs économiques pour une production améliorée de la plupart des métabolites cibles sont toujours handicapés. Par conséquent, une stratégie de culture cellulaire raffinée est nécessaire pour résoudre ces problèmes dans le cadre d'une nouvelle technologie en plein essor pour les métabolites secondaires.

Certains des avantages les plus importants de la production de métabolites par rapport aux méthodes conventionnelles sont :

(a) Culture in vitro, qui assure la production de métabolites tout au long de l'année quelle que soit la saison. Au contraire, la production et l'accumulation de composés phytochimiques n'ont lieu que pendant une saison spécifique dans les plantes cultivées en plein champ.

(b) La production in vitro de produits phytochimiques a lieu dans un court laps de temps par rapport aux plantes naturelles.

(c) La culture in vitro pourrait également assurer une production élevée de métabolites secondaires.

Stratégies de base pour la production secondaire de métabolites :

Le cal, une masse homogène de cellules indifférenciées peut être obtenu à partir de toutes les parties du corps de la plante. En culture, le cal peut être obtenu en plaçant des explants sur un support de croissance. Généralement, les milieux induisant des callosités sont additionnés d'auxine seule ou en combinaison avec une concentration faible ou égale de cytokinine. Les auxines telles que 2, 4-D, IAA, NAA peuvent donner des résultats nettement meilleurs.

Le processus de différenciation cellulaire se produisant dans la plante est inversé et le tissu de l'explant devient dédifférencié. Le cal surélevé in vitro présente généralement deux types : les types nodaux et friables. La nature friable du cal contient des cellules agrégées de manière lâche qui sont utiles pour la production de métabolites secondaires. La nature friable peut facilement transformer les callosités en culture en suspension.

La friabilité du cal est due à la neutralisation du groupe galactoside carboxyle, ce qui réduit la possibilité de réticulation entre la chaîne polysaccharidique et l'estérification inégale des groupes carboxyle. Il est possible d'améliorer la friabilité en créant une carence en acide folique dans le milieu de culture et en augmentant la vitamine B12 concentration. Callus sys­tem a été exploité pour la production de métabolites secondaires.

La culture de cals de safran et de capsaïcine, établie sur milieu Murashige et Skoog, a produit un niveau élevé de ces métabolites. De même, la possibilité d'une production de sapogénines stéroïdiennes jusqu'à 2% a été remarquée dans des cultures indifférenciées de Diascoria deltoidea. Mais la différenciation des organes entraîne la diminution des sapogénines en culture. Le composé insecticide pyrathrine a été produit avec succès dans la culture de cals de Chrysanthemum cinerarifolium.

La capacité biosynthétique du composé thymol conférant une saveur dans la culture de cal de Carum coptum s'est avérée être la plus grande dans les cultures semi-organisées que dans les cultures non organisées. A plusieurs reprises cependant, la formation d'alcaloïdes a lieu dans les pousses régénérées directement à partir de la plante sans cal.

Initiation de la culture en suspension à partir de callosités :

La culture en suspension est la masse de cellules libres ou d'amas cellulaires en milieu liquide. Il est généralement obtenu en transférant le cal friable dans un milieu agité de même composition que celui utilisé pour la croissance du cal. Initialement, le cal est coupé en petits morceaux et transféré dans le milieu. Généralement, un grand inoculum de cal est avantageux car il assure une libération suffisante de cellules libres ou d'amas cellulaires dans le milieu liquide. La présence d'amas cellulaires et la densité cellulaire élevée facilitent le contact de cellule à cellule.

L'agitation sous une forme ou une autre a été utilisée pour faciliter la fragmentation des groupes cellulaires et aide à la diffusion des métabolites et de l'oxygène. Les vitesses d'agitation sur l'agitateur orbital doivent être comprises entre 30 et 150 tr/min avec un mouvement orbital de 2 à 4 cm. Cependant, la culture de cellules végétales nécessite 90-120 rpm pour la plupart des espèces (Fig. 12.2). Afin d'obtenir une culture en suspension fine, des repiquages ​​fréquents sont indispensables dans le milieu frais.

La présence de gros amas cellulaires peut être éliminée à l'aide d'une pipette ou d'une seringue d'un diamètre d'orifice approprié pour exclure les gros agrégats cellulaires. Certains types de cals tels que les cals nodulaires ou compacts ne se brisent pas facilement pour former une suspension. Il est également possible d'augmenter la friabilité du cal par des repiquages ​​répétés. Dans plusieurs cas, la culture en suspension cellulaire a été utilisée comme seule stratégie pour améliorer la production de métabolites secondaires.

Types de cultures en suspension :

C'est un type de culture en suspension dans laquelle les cellules sont cultivées dans un volume fixe de milieu nutritif. Dans la plupart des cultures discontinues, le volume de la suspension est maintenu entre 250 mL et 10 L (Fig. 12.2). L'augmentation de la densité de la suspension cellulaire est une indication d'une augmentation de la biomasse. La division et la croissance cellulaires se poursuivent jusqu'à ce que le nutriment ou l'oxygène contrôle l'arrêt de la croissance cellulaire.

La cinétique de croissance des cellules en suspension subit quatre phases de cycle de croissance, (a) Phase de latence - dans laquelle les cellules se préparent à se diviser, (b) Phase exponentielle - dans laquelle le taux de division cellulaire atteint son maximum, (c) Phase linéaire - dans laquelle la réduction de la division cellulaire a lieu, (d) Phase stationnaire - où le nombre et la taille des cellules restent constants.

Une phase de latence est le début ou la phase initiale du cycle de croissance. This phase is sometimes crucial for the synthesis of certain specific metabolites. This is followed by the exponential phase, where rapid cell division proceeds resulting in increased biomass. After few cell genera­tions (2-3) growth rate is retarded in linear phase. The last and final stage is the stationary phase during which cell dry weight is reduced. Sub-culturing is followed regularly for every 2-3 days in exponential phase (Fig. 12.1).

(ii) Continuous Culture:

The cells in suspension culture can be maintained for a considerable period of time by replacing with fresh media and cell population. There are two types of continuous culture sys­tems — closed continuous and open continuous culture systems. In closed continuous culture system, the spent medium in the culture vessel is removed and outflow is balanced by inflow of fresh medium.

The cells from outflowing medium is retained and pushed back into the culture. The cell biomass increases continuously in this system. In open continuous culture, inflow of fresh medium is balanced by outflow of spent medium of the same corresponding volume. The cells are harvested and replaced by fresh batch of cells.

One of the advantages of this system is that cell cultures are maintained indefinitely at a constant maximum growth rate. The open continuous culture system is again divided into chemostat and turbidostat. In chemostat, growth and cell density are maintained constantly by fixed rate of input of growth limiting elements like nitrogen and phosphorous.

In turbidostat, inflow of fresh medium takes place in response to increase in turbidity, thus facilitating continuous maintenance of culture at a fixed optimum density of the suspension. The growth of cell suspension culture may be monitored by measure­ment of one or more of the parameters such as packed cell volume (PCV), cell number, wet and dry weight, protein and DNA content and medium conductivity.

Determination of cell density by PCV method involves transfer of a known volume of suspension to 15 mL of graduated centrifuge tubes and spin for 5 min at (200 × g). PCV is the volume of cell pellet and is usually expressed as percentage of the cell numbers in suspension. The cell number in suspension may be counted directly by haemocytometer.

Bergamann Cell-Plating Technique for Single-Cell Culture:

Embryogenic cell suspensions are potential source for the production of several fine chemi­cals and offers large-scale clonal propagation. Thus, it is desirable to produce single cell clones for useful purposes. The technique of single cell culture was shown by Bergamann in 1960, where cell suspensions are initially plating out on agar plate. The technique involved counting of cells from suspension culture in order to adjust density by dilution of the suspension culture.

Equal volumes of agar medium of appropriate temperature (35°C) and suspension are mixed and dispersed into the petri dish and uniform distribution of cells are ensured. The suspension is filtered through a sieve and fine suspension is plated accordingly. The sealed dishes contain cells which are incubated at 25°C for 21 days. The number of cell colonies formed in dishes is counted by photographic document.

Factors Affecting the Production of Secondary Metabolite Production:

Genetic sources of plants have been implicated in the productive level of secondary metabolites. It has been proved that certain plants known as high-yielding cultivars can produce high amount of secondary metabolites in culture as shown in Catharanthus roseus.

Similarly, high-yielding tobacco in culture, accumulated increased level of nicotine than cultures derived from low-yielding cultivar. Therefore, it is possible to recover high amount of fine chemicals from high-yielding plants irrespective of explant source.

Although formulations of Murashige and Skoog’s (1962) medium were originally designed for rapid growth of tobacco, it is widely employed even for secondary metabolite production. This medium does not support metabolite production despite its role in rapid growth of the tissue. Secondary metabolite production is generally accomplished by two types of media.

One is growth medium, which encourages rapid growth of the cells leading to increased biomass and, second one is production medium, which induces production of secondary metabolites. Zenk was one of the first persons to use a two-stage culture, in which growth and production medium was combined for the culture of several plants.

In the production of shikonin, a particular MG-5 growth medium from Linsmayer and Skoog (1965 LS medium) was designed and M-5 production medium derived from White’s medium by enhancing the concentration of the nutrients in each medium. A similar success was also noticed in the production of barberine by using two stage cultures.

The composition of the macro-elements of the media can control secondary metabolite production. Several media like Linsmayer and Skoog (1965) and Gamborg (1968), which were originally designed for cell growth, have been modified extensively to suit successful production of secondary compounds. Shikonin was not produced on LS medium, which was originally designed for cell growth.

However, shikonin production was noticed once the cells were transferred onto the White’s medium. Suppression of shikonin production on LS medium is probably due to the presence of high level of NH4, whereas, White’s medium is devoid of NH4, supported shikonin production. It was however shown that removal of NH4 from LS medium could support shikonin production.

In addition to ammonium as the limiting factor, direct reduction of other media components such as nitrate and phosphate results in the production of secondary metabolites. For instance, production of ajmalicine and serpentine occurs when phosphate level is reduced in the medium. Similarly, a spice compound capsaicin is produced when nitrogen level is lowered in the medium.

Culture vessel or bioreactor containing appropriate level of cell density, stimulates sec­ondary metabolite production. The maximum cell density is accomplished when the tanker filled with cells, i.e., 30—120 g dry weight of cells is being packed in 1 L of the bioreactor. Most of the culture shows maximum cell yield of about 15 g per litre. This cell filling culture can be exploited commercially.

The successful cell filling technique with maximum cell density is pos­sible only when adequate agitation is pressed without cell destruction, sufficient oxygen and continuous supply of nutrients. The cell density upto 70 g dry weight per litre was possible by adopting the above parameters. Increased aeration causes the cells to attach to the upper part of the bioreactor wall. In order to control this, the aeration rate must be manipulated and kept low by mixing oxygen with aeration gas.

Production of secondary metabolites in vitro culture is due to the cell multiplication and division. This process invariably requires growth regulators. Participation of growth regulators in metabolite production is well documented in vivo. There are several instances of in vitro culture in which secondary metabolite is produced under the influence of growth regulators.

In the suspension culture of Papaver bractiatum, efficiency of different auxins was compared for Thebaine production. Auxin like IAA was found to be superior to NAA and 2, 4-D in culture for the production of anthoquinine. NAA was found to be highly beneficial whereas, 2, 4-D has negative effect on its production.

Similar results on the poor performance of 2, 4-D was seen in the callus culture of Nicotiana tobaccum for the production of nicotine and anabasine, which was successful with IAA supplied medium. At this juncture it can be concluded that 2, 4-D is a poor candidate in inducing secondary metabolite production. The possible reason for 2, 4-D’s poor response in culture is due to the lower pools of glutamate and aspartate.

After IAA, another ideal candidate NAA, exhibits good response in the production of nicotine. Barring few instances of involvement of cytokinins in inducing accumulation of steroidal sapogenins, reports are still scanty. Plant hormone like gibberellic acid (GA) facilitates diosgenin production in Diascorea cultures.

Efficacy of various carbon sources for secondary metabolite production has been tested. Among all carbon sources tested, sucrose is suited for most of the plants. Positive role of sucrose was noticed on nicotine production by tobacco callus. Glucose on the other hand acts as suitable carbon source for supporting secondary metabolites production.

In tissue culture, low radiant level of broad spectrum quality not only controls various morphogenesis but also influence secondary metabolite production. Several enzymes, which are involved in the biosynthetic pathways leading to the production of cinnamic acid, coumarins, flavanols, chalcons and anthocyanins are controlled by light. For instance, increase in the activ­ity of enzymes of the flavanol pathway takes place when cells are exposed to light resulting in anthocyanin accumulation.

One of the active spectrum regions in blue light increases the activ­ity of phenyl ammonia lyase (PAL). The blue light induction of PAL and other enzymes after exposing parsley cell culture to cool white fluorescent light favours metabolite accumulation. Induction of polyphenol has been noticed in tea callus culture. In addition, continuous light illumination results in the accumulation of catechin and epicatechin in suspension culture.

Generally, tissue cultures maintained at 25°C favours overall growth. But, several evidences have shown that temperature alone can induce secondary metabolite synthesis. More than 100% nicotine accumulation takes place in tobacco seedling exposed to 21°C or 32°C. Differential effect of various temperatures were obtained in the alkaloid production in Peganum callus culture, in which 30°C favours callus growth whereas 25°C stimulates alkaloid accumulation in culture.

Specialized Strategies for the Production of Secondary Metabolites:

Supply of Precursors:

Although, plant cells are totipotent in carrying out secondary metabolic pathways, plant cells in culture generally shows low-level production of secondary metabolites when compared to the natural plants. Only scanty information is available on the exact factors which control metabolite production.

One of the in vitro constraints is that secondary metabolite pathways are blocked by one or more deficient intermediates. To overcome the lacuna, intermediates are supplied in culture media to set right the pathways. Timing of precursor supply is very important because precursor when fed initially may inhibit both cell growth and metabolite production.

Callus culture of Capsicum annum shows that the flavour component of capsaicin is synthesized from valine and phenyl alanine and also can be manipulated by low level of nitrogen and elimination of sucrose in the medium. Capsaicin production is further enhanced by supplying immediate precursors like vanillylamine and isocarpic acid.

Increased production of diosgenin is accomplished by feeding cholesterol (100 mg/L) to Dioscorea culture. Similarly, feeding of phenylalanine to the culture of Coleus blumei enhanced the production of rosemarinic acid. In all these classic examples, timing of precursor feeding has been found to be significant.

Elicitors are the triggering factors which can elicite the production of secondary metabolites. These are the substances originally derived from microorganisms and actively participate in secondary metabolism. Elicitors are of two types—abiotic and biotic elicitors. Abiotic elicitors are light and metallic co-factors and others. Certain particular wavelengths of the light (Ultraviolet (UV) has a significant influence in the induction of secondary metabolites, for example, flavon glucoside synthesis is most sensitive to UV light at wavelength below 300 nm.

Similarly, induction of anthocyanine takes place at the peak of 312 nm and 438 nm. Certain metallic co-factors such as gold, copper and silver are added into the medium which can induce secondary metabolite production by acting as abiotic elicitors. These metabolic co-factors can be a part of the enzymatic activity involving secondary metabolic pathways.

Most of the elicitor systems employed in culture systems are biotic elicitors, mainly fungal extractions. Biotic elicitors can elicite the production of phytoalexins in culture as part of a plant-defence mechanism against pathogens. Phytoalexins are a diverse group of compounds like isoflavonoids and phenylpropanoids.

Biotic elicitors are simply the extracts of fungi and fungal cell wall material, which are generally included in the medium. Soyabean cell culture when inoculated with the strain of Pseudomonas syringa, triggered glyeollin (phytoalexin) production. Addition of culture filtrate of micromucor to the cell culture of Catharanthus roseus enhances tryptomine biosynthesis.

Elicitors are also probably involved in controlling gene expression. As a result, increased level of enzyme production can stimulate the synthesis of compounds which are new to the cells. Fungal elicitors when supplemented into tobacco cell suspension result in the induction of sesquiterpenoids, like capsidiol.

Imposition of stress on the cell culture triggers secondary metabolite production. Accumulation of indol alkaloids takes place by supplementing a stress hormone abscisic acid into the suspension culture of Catharanthus roseus.

Designing of Bioreactors:

Maintenance of cell suspension culture for considerable period of time essentially requires certain facilities such as aeration, monitoring of O2 et Cie2 level and replacement of spent media. Continuous culture system generally fulfills all the conditions essential for long-term maintenance. It is however indispensable to design a suitable bioreactor convenient for cell growth and production of secondary metabolites.

Some of the commonly used bioreactors available for large scale culture of cells are stirred tank bioreactors. Several types of stirred tank bioreactors including low-speed tank minimize cell damage and degradation during culture. Modified version of stirred tank like air lift bioreactor has been found to be well suited for plant cell growth (Figs. 12.3 and 12.4) depending on air lift loop vessels have several advantages like low shear, proper mixing of cells, no sedimentation and minimal cell lysis.

Fujira and Tabota (1987) designed two culture tanks suitable for the culture of Lithospermum erythrorhizon for the production of shikonin. Although paddle impeller supports cell growth of Lithospermum, the average yield of shikonin was found to be lower than in the regular flask culture.

Increase in rotatory speed of the impeller reduces shikonin production. Rotary drum tank was designed to overcome this constraint and was successful in the culture of Lithospermum. One of the key advantages of rotary drum cultures is low injury to the cells due to its gentle mix by the revolution of the tank. As a result, cells are adhered to the wall of the tank.

Imprisonment of plant cells for secondary metabolite production has several advantages. This can be used to prolong production phase and thus total product yield has been achieved. This newly designed strategy of cell immobilization can ensure rapid growth of cells in suspension and secondary metabolite production.

Entrapment of cells or tissue can be accomplished by variety of gel entrapment or encapsulation systems in which, different gel matrices like agar, gelatin, agarose, sodium alginate, cellulose and polysaccharides are em­ployed. Several simple and non-toxic materials such as sodium alginate, polysaccharide, agar agar and xanthan gum are used for cell immobilization.

The technique is simple, cheap and gives high surface area to the volume ratio. The cells or cell aggregates can be imprisoned within the inert matrix, permitting easy flow of liquid media across the cell. Capsaicin produc­tion by immobilization of cells and placental tissue of Capsicum annum was compared and analyzed that immobilized placental tissue exhibits greater potential for capsaicin synthesis than immobilized cells.

Placental tissue is the site of capsaicin synthesis. Addition of elicitors, curtlan, was effective on capsaicin production in immobilized cells. In addition, several cell cultures of Catharanthus rosues, Morinda citrifolia and Daucas carota have been successfully immobilized by polyurethane and polyester.

Several bioreactors have been designed for accumulation of immobilized cells in gel ma­trix. Utility of fluidized flatbed system is effective in maintaining entrapped cells. The modified version of flat-bed system is column culture in which vertical reservoir containing nutrient solution and culture vessel enclosed entrapped cells. The nutrient media present in the reser­voir is sprinkled on entrapped cells by drop arrangement (Fig. 12.5).

Several advantages are associated with immobilization of cells for the production of sec­ondary metabolites. Immobilization of cells increases cell to cell proximity, communications and cell to cell interactions. This is possible during adhesion of cells after division. Variation of cell shapes in terms of the size and number shows heterogeneity of culture system and science of organ initiation or pro-embryoid occurring in foam-immobilized culture.

Other advantages are the release of products into the medium instead being retained within the cells. Removal of secondary metabolites for analysis is possible without any constraints. Therefore, immobilized cell techniques are preferred over other methods for the basic investigations of product biosynthesis and manipulation without affecting cultural system. In addition, the production of H2 gas as a fuel has been analyzed by immobilization of cyanobacterial cells.

Biotransformation is one of the major thrust areas of biotechnological applications of plant cell and tissue culture. It is the production of the valuable products by plant cells in culture from cheap precursors which cannot be transformed by chemical or microbial systems. In addition, it is a novel approach to synthesize the substance of unknown structure and exhib­its new pharmaceutical properties in cell culture.

There are two methodological approaches followed in biotransformation. One is to obtain novel compounds from substrates that are not normally available to the plants or products from other species. The second approach is to transform natural intermediates of important plant products.

One of the most classic examples and widely proven potential is the biotransformation of cardenolides, is of special pharmaceutical consideration because of glucosides which are widely used in medicines for heart disease. Digitoxin and digoxin are the two important pharmaceuti­cal compounds extracted from Digitalis lanata.

Therapeutically digoxin is superior to digitoxin. D. lanata, however, contains high level of digitoxin. Digoxin is different from digit oxin only by a hydroxyl group at C12 Région. Biotransformation of digitoxin to digoxin takes place by cell culture of Digitalis to several products. Some of which are hydroxylated at C12 and produces digoxin.

The Digitalis lanata cell culture strain 291 cultivated in air lift bioreactor was found to be effective in the conversion of P-methyl digitoxin into p-methyl digoxin. In addition, ability of some cultures of D. lanata to effect glucosylation, hydroxylation and acetylation were estab­lished. Several examples of biotransforming cited in the cell culture are listed in Table 12.3.

Immobilized cells are used to bio-transform chemical substrates in the production of use­ful compounds. Immobilized cells exhibit more stability and inflict biotransformation more efficiently than cells in suspension system.

The efficiency of biotransformation still needs to be investigated due to lack of preliminary knowledge of biosynthetic pathways and its related enzymes involved. However, many bio-transformations using plant cells that have potential industrial applications are hydrogenation, hydroxylation and hydrolysates.

The potentials of hairy root cultures from plant transformation by Agrobaderium rhizogens for the biosynthesis of secondary metabolites have been well documented. Hairy roots can be produced by incubating a piece of plant tissue in Agrobacterium rhizogens solution. Transfor­mation takes place due to the transfer of T-DNA from bacteria into the plant cells.

The Ri plasmid of A. rhizogens contains auxin-related genes in T-DNA. The successful integration of T-DNA inside plant DNA resulted in the expression of auxin-related genes and consequently, over production of IAA. As a result, numerous hairy roots are induced from the explant. Several examples on the secondary metabolite production by hairy root culture have been reported.

Production, accumulation and release of nicotine and nicotine-related alkaloids are facilitated by hairy root culture of Nicotiana rustica and the accumulation of betacyanine and betaxanthin in Beta vulgaris. There have been reports on the production and secretion of novel therapeutic protein using hairy root culture. Hairy root cultures are novel possible poten­tial sides for the synthesis and easy secretion of recombinant proteins. Thus, avoiding expen­sive downstream processing.

Altered DNA Methylation:

Role of DNA methylation in the regulation of gene expression has been established. Hypermethylation decides the nature of expression of genes. Hypomethylations are believed to be involved in hypergene expression. Synthesis of secondary metabolites involves participation of several enzymes in these pathways.

Any interference in their production may hinder the synthesis of metabolites. There have been reports on the enhanced production of secondary metabolite by hypomethylation process. Azacytidine is used as an effective chemical in cell culture for the induction of DNA hypomethylation.

Regulation of Secondary Metabolic Pathways:

The current knowledge about the regulation of metabolic products in plant cell culture is scanty and available only in few examples like:

(a) Influence of media on secondary product,

(b) Role of key enzyme for the regulation of secondary product,

(c) Degradation of secondary product and

(d) Inhibition of synthesis.

Concept on two-step culture has been implicated in microbial system. In plant cell culture proposal on two-step culture media was found to be suited for secondary metabolite production. As described earlier, first media is meant for cell growth and the second media for secondary metabolite induction.

The real breakthrough in the metabolite production is achieved when nitrate or phosphate or both are reduced in the media. Downsizing of sugar concentration can have greater influence on secondary metabolite production. Phytochemical production in Catharanthus rosues and Nicotiana tobaccum was achieved by employing induction medium, in which both phytohormones and inorganic phosphates are totally removed from the medium.

It was conceded that copper in the medium has no influence on growth. But, its concentration several times stronger than in White’s medium can induce shikonin production at increased rate. The dependency of the secondary metabolite production in the requirement of phytohormones has not been characterized. In some instances, high doses of growth factors can increase the production of secondary metabolite.

The role of certain enzymes in the regulation of secondary compound production cannot be ruled out. The production is correlated with the activity to enzyme that links primary and secondary metabolic pathways. Gene-cloning technique has laid a foundation in understanding regulatory activity of enzymes. One of the best studied examples of regulation of secondary metabolism in plant cell culture is the induction of enzymes catalyzing the synthesis of isoflavanoids and flavanoids.

In the cell culture of Glycine max flavanoids are induced by spontaneous process or light. Similarly irradiation by ultraviolet can decide accumulation of flavons. In addition, certain enzymes like phenylalanine ammonialyase (PAL) activity to be a crucial factor in the regulaton of secondary compound in several plants.

Degradation of secondary compound is a major factor determining alkaloid content of the plant. It was able to show that quinolizidine alkaloid in the cells and medium of Lupins cell cultures are subjected for fast turnover and probably regulated by light. Regulation of secondary compound sterol production was revealed by the use of sterol inhibitor when a particular enzyme in the pathway is blocked.

Some plant bioregulatros exhibit their effect on plant growth by interfering with gibberellic acid biosynthesis. For example, 2-chloroethyl, 1-trimethylammonium chloride known to inhibit the cyclization of geranyl-geranylpyrophosphate. They also show activity on triterpenoid metabolism and carotenoid metabolism.


Adaptations supplémentaires des plantes terrestres

As plants adapted to dry land and became independent of the constant presence of water in damp habitats, new organs and structures made their appearance. Early land plants did not grow above a few inches off the ground, and on these low mats, they competed for light. By evolving a shoot and growing taller, individual plants captured more light. Parce que l'air offre beaucoup moins de support que l'eau, les plantes terrestres ont incorporé des molécules plus rigides dans leurs tiges (et plus tard, dans les troncs d'arbres). The evolution of vascular tissue for the distribution of water and solutes was a necessary prerequisite for plants to evolve larger bodies. Le système vasculaire contient des tissus de xylème et de phloème. Xylem conducts water and minerals taken from the soil up to the shoot phloem transports food derived from photosynthesis throughout the entire plant. The root system that evolved to take up water and minerals also anchored the increasingly taller shoot in the soil.

In land plants, a waxy, waterproof cover called a cuticle coats the aerial parts of the plant: leaves and stems. The cuticle also prevents intake of carbon dioxide needed for the synthesis of carbohydrates through photosynthesis. Stomata, or pores, that open and close to regulate traffic of gases and water vapor therefore appeared in plants as they moved into drier habitats.

Plants cannot avoid predatory animals. Au lieu de cela, ils synthétisent une large gamme de métabolites secondaires toxiques : des molécules organiques complexes telles que les alcaloïdes, dont les odeurs nocives et le goût désagréable dissuadent les animaux. These toxic compounds can cause severe diseases and even death.

Additionally, as plants coevolved with animals, sweet and nutritious metabolites were developed to lure animals into providing valuable assistance in dispersing pollen grains, fruit, or seeds. Plants have been coevolving with animal associates for hundreds of millions of years (Figure 5).

Figure 5: Plants have evolved various adaptations to life on land. (a) Early plants grew close to the ground, like this moss, to avoid desiccation. (b) Later plants developed a waxy cuticle to prevent desiccation. (c) To grow taller, like these maple trees, plants had to evolve new structural chemicals to strengthen their stems and vascular systems to transport water and minerals from the soil and nutrients from the leaves. (d) Plants developed physical and chemical defenses to avoid being eaten by animals. (credit a, b: modification of work by Cory Zanker credit c: modification of work by Christine Cimala credit d: modification of work by Jo Naylor)


25 Bulk Transport

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Describe endocytosis, including phagocytosis, pinocytosis, and receptor-mediated endocytosis
  • Understand the process of exocytosis

In addition to moving small ions and molecules through the membrane, cells also need to remove and take in larger molecules and particles (see (Figure) for examples). Certaines cellules sont même capables d'engloutir des micro-organismes unicellulaires entiers. You might have correctly hypothesized that when a cell uptakes and releases large particles, it requires energy. A large particle, however, cannot pass through the membrane, even with energy that the cell supplies.

Endocytose

L'endocytose est un type de transport actif qui déplace des particules, telles que de grosses molécules, des parties de cellules et même des cellules entières, dans une cellule. There are different endocytosis variations, but all share a common characteristic: the cell’s plasma membrane invaginates, forming a pocket around the target particle. The pocket pinches off, resulting in the particle containing itself in a newly created intracellular vesicle formed from the plasma membrane.

Phagocytose

Phagocytosis (the condition of “cell eating”) is the process by which a cell takes in large particles, such as other cells or relatively large particles. For example, when microorganisms invade the human body, a type of white blood cell, a neutrophil, will remove the invaders through this process, surrounding and engulfing the microorganism, which the neutrophil then destroys ((Figure)).


In preparation for phagocytosis, a portion of the plasma membrane’s inward-facing surface becomes coated with the protein clathrin , which stabilizes this membrane’s section. The membrane’s coated portion then extends from the cell’s body and surrounds the particle, eventually enclosing it. Once the vesicle containing the particle is enclosed within the cell, the clathrin disengages from the membrane and the vesicle merges with a lysosome for breaking down the material in the newly formed compartment (endosome). When accessible nutrients from the vesicular contents’ degradation have been extracted, the newly formed endosome merges with the plasma membrane and releases its contents into the extracellular fluid. The endosomal membrane again becomes part of the plasma membrane.

Pinocytose

A variation of endocytosis is pinocytosis . This literally means “cell drinking”. Discovered by Warren Lewis in 1929, this American embryologist and cell biologist described a process whereby he assumed that the cell was purposefully taking in extracellular fluid. In reality, this is a process that takes in molecules, including water, which the cell needs from the extracellular fluid. Pinocytosis results in a much smaller vesicle than does phagocytosis, and the vesicle does not need to merge with a lysosome ((Figure)).


A variation of pinocytosis is potocytosis . This process uses a coating protein, caveolin , on the plasma membrane’s cytoplasmic side, which performs a similar function to clathrin. The cavities in the plasma membrane that form the vacuoles have membrane receptors and lipid rafts in addition to caveolin. The vacuoles or vesicles formed in caveolae (singular caveola) are smaller than those in pinocytosis. Potocytosis brings small molecules into the cell and transports them through the cell for their release on the other side, a process we call transcytosis.

Receptor-mediated Endocytosis

A targeted variation of endocytosis employs receptor proteins in the plasma membrane that have a specific binding affinity for certain substances ((Figure)).


In receptor-mediated endocytosis , as in phagocytosis, clathrin attaches to the plasma membrane’s cytoplasmic side. If a compound’s uptake is dependent on receptor-mediated endocytosis and the process is ineffective, the material will not be removed from the tissue fluids or blood. Au lieu de cela, il restera dans ces fluides et augmentera en concentration. The failure of receptor-mediated endocytosis causes some human diseases. For example, receptor mediated endocytosis removes low density lipoprotein or LDL (or “bad” cholesterol) from the blood. Dans l'hypercholestérolémie familiale, une maladie génétique humaine, les récepteurs LDL sont défectueux ou totalement absents. People with this condition have life-threatening levels of cholesterol in their blood, because their cells cannot clear LDL particles.

Although receptor-mediated endocytosis is designed to bring specific substances that are normally in the extracellular fluid into the cell, other substances may gain entry into the cell at the same site. Flu viruses, diphtheria, and cholera toxin all have sites that cross-react with normal receptor-binding sites and gain entry into cells.

See receptor-mediated endocytosis in action, and click on different parts for a focused animation.

Exocytose

The reverse process of moving material into a cell is the process of exocytosis. Exocytosis is the opposite of the processes we discussed above in that its purpose is to expel material from the cell into the extracellular fluid. Waste material is enveloped in a membrane and fuses with the plasma membrane’s interior. This fusion opens the membranous envelope on the cell’s exterior, and the waste material expels into the extracellular space ((Figure)). Other examples of cells releasing molecules via exocytosis include extracellular matrix protein secretion and neurotransmitter secretion into the synaptic cleft by synaptic vesicles.


Methods of Transport, Energy Requirements, and Types of Transported Material
Transport Method Active/Passive Material Transported
Diffusion Passif Small-molecular weight material
Osmose Passif L'eau
Facilitated transport/diffusion Passif Sodium, potassium, calcium, glucose
Transport actif primaire actif Sodium, potassium, calcium
Transport actif secondaire actif Amino acids, lactose
Phagocytose actif Large macromolecules, whole cells, or cellular structures
Pinocytosis and potocytosis actif Small molecules (liquids/water)
Receptor-mediated endocytosis actif Large quantities of macromolecules

Résumé de la section

Active transport methods require directly using ATP to fuel the transport. In a process scientists call phagocytosis, other cells can engulf large particles, such as macromolecules, cell parts, or whole cells. In phagocytosis, a portion of the membrane invaginates and flows around the particle, eventually pinching off and leaving the particle entirely enclosed by a plasma membrane’s envelope. The cell breaks down vesicle contents, with the particles either used as food or dispatched. La pinocytose est un processus similaire à plus petite échelle. The plasma membrane invaginates and pinches off, producing a small envelope of fluid from outside the cell. Pinocytosis imports substances that the cell needs from the extracellular fluid. The cell expels waste in a similar but reverse manner. It pushes a membranous vacuole to the plasma membrane, allowing the vacuole to fuse with the membrane and incorporate itself into the membrane structure, releasing its contents to the exterior.

Questions de révision

What happens to the membrane of a vesicle after exocytosis?

  1. It leaves the cell.
  2. It is disassembled by the cell.
  3. It fuses with and becomes part of the plasma membrane.
  4. It is used again in another exocytosis event.

Which transport mechanism can bring whole cells into a cell?

  1. pinocytosis
  2. phagocytose
  3. facilitated transport
  4. transport actif primaire

In what important way does receptor-mediated endocytosis differ from phagocytosis?

  1. It transports only small amounts of fluid.
  2. It does not involve the pinching off of membrane.
  3. It brings in only a specifically targeted substance.
  4. It brings substances into the cell, while phagocytosis removes substances.

Many viruses enter host cells through receptor-mediated endocytosis. What is an advantage of this entry strategy?

  1. The virus directly enters the cytoplasm of the cell.
  2. The virus is protected from recognition by white blood cells.
  3. The virus only enters its target host cell type.
  4. The virus can directly inject its genome into the cell’s nucleus.

Which of the following organelles relies on exocytosis to complete its function?

Imagine a cell can perform exocytosis, but only minimal endocytosis. What would happen to the cell?

  1. The cell would secrete all its intracellular proteins.
  2. The plasma membrane would increase in size over time.
  3. The cell would stop expressing integral receptor proteins in its plasma membrane.
  4. The cell would lyse.

Questions de pensée critique

Why is it important that there are different types of proteins in plasma membranes for the transport of materials into and out of a cell?

The proteins allow a cell to select what compound will be transported, meeting the needs of the cell and not bringing in anything else.

Why do ions have a difficult time getting through plasma membranes despite their small size?

Ions are charged, and consequently, they are hydrophilic and cannot associate with the lipid portion of the membrane. Ions must be transported by carrier proteins or ion channels.

Glossaire


Résumé de la section

Les plantes à graines sont apparues il y a environ un million d'années, au Carbonifère. Two major innovations—seed and pollen—allowed seed plants to reproduce in the absence of water. The gametophytes of seed plants shrank, while the sporophytes became prominent structures and the diploid stage became the longest phase of the lifecycle. Gymnosperms became the dominant group during the Triassic. In these, pollen grains and seeds protect against desiccation. The seed, unlike a spore, is a diploid embryo surrounded by storage tissue and protective layers. It is equipped to delay germination until growth conditions are optimal. Les angiospermes portent à la fois des fleurs et des fruits. The structures protect the gametes and the embryo during its development. Les angiospermes sont apparues au cours de l'ère mésozoïque et sont devenues la vie végétale dominante dans les habitats terrestres.


Voir la vidéo: Transport Actif Secondaire (Septembre 2022).