Pigmenti antiossidanti

di origine vegetale

Dai prodotti naturaliall’ingegneria genetica per fini nutrizionali

Carlo Rosati - ENEA C.R. Trisaia

Valore commerciale importazioni di coloranti naturali(1998)

Pigmenti: tannini (cortecce, radici)antociani, flavoni, auronilicopene, caroteni xantofilleindigo (Indigofera spp.)naftochinoni (Henna tree, noce)antrachinoni (Lac tree, cocciniglia, Rubia spp.)benzofironi (logwood)betalaine (Caryophyllales, Amanita,...)clorofilla

UE: >70M US$USA: >40M US$

} flavonoidi

} carotenoidi

I principali pigmenti di origine vegetale

- Carotenoidi

- Flavonoidi: antociani, flavoni, tannini

- Betalaine (Caryophyllales, Amanita)

- Clorofilla

Foglie senescenti Fiori

epidermide

epidermide

mesofillo

UV

Carotenoidi Flavonoidi .

Metabolismo primario secondarioFunzioni 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)

Carotenodi e Flavonoidi hanno

vie biosintetiche INDIPENDENTI

Flavonoidi e Carotenoidi hanno

proprietà ANTI�OSSIDANTI

•“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

I Flavonoidi

Winkel-Shirley, 2001 Jaakola et al., 2001

Cocciolone et al., 2002Farzad et al., 2003

I Flavonoidi

Jaakola et al., 2001

Esempi

Mirtillo, Ribes, Uva, …

Melo, Pero, Ciliegio,Rosa, ...

Lampone, Fragola, ...

•Creazione varietale: colore fiori (1987), foglie, …•Resistenza a patogeni•Digeribilità foraggi (anti-meteorismo)•Produzione pigmenti (in planta e in vitro)

Flavonoidi: ingegneria genetica

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 N2fix in piante non-Leguminose

I Flavonoidi e le Biotecnologie

Winkel-Shirley, 2001

Zuker et al., 2002

Shimada et al., 1999

Ray et al., 200335S::Lc

Rosati et al., 2003

La biosintesi dei Carotenoidi

Cunningham & Gantt, 1998

Isoprenoidi

Giuliano et al., 2000

I Carotenoidinelle piante

Bixa orellanaBouvier et al., 2003

alghe, batteri

crostacei

pesci, uccelli

melone,pesca,albicocca...

CrocoBouvier et al., 2003

Il bu$ine$$ dei Carotenoidi...

… e delle vitamine

Annatto?0,6-2 US$/kg

10.000 t = 6-20 M US$

Carotenoidi eBiotech vegetaliMercato mondiale:>500 M US$ (Albrecht et al., 2000)

Isoprenoidi

Mann et al., 2000Astaxanthina? (Patents pending)

(2-5000 US$/kg, 15% costo produzione salmone)

(crtB)

Crocetina & co.?(1000 ¤/kg)

6-15x Vit.E Cahoon et al., 2003

Golden canolaShewmaker et al., 1999

300x

pNapin+TP

Golden rice Ye et al., 2000300g = 10% RDA

Varip+geni

Capacità antiossidante

10x β-carotene

100-500x vit.E

Golden tomatoRomer et al., 2000

Rosati et al., 20007x, 120g = 100% RDA

Pds+crt

Pds +plant

HO

OH

zeaxanthin

lycopene

β-carotene

Fonti primarie di carotenoidiimportanti dal punto di vista nutrizionale

Pds β-Lcy Nos

B) sovra-espressione

Pds β-Lcy Nos

C) Antisenso

A) Fenotipo originale

0

100

200 Lycopene ββββ-carotene Xanthophylls

µ µµµg/g

m fr

esh

wei

ght

AntisenseParentalOverexpressors

Fino a 500 µµµµg beta-carotene / g DW (>300 volte rispetto al Golden Rice)

OH

HOO

OH

HOO

O

OH

HO

ββββ -LCYLicopene

ββββ-carotene

ZEP VDE

Violaxantina

Anteraxantina

Zeaxantina

B/NXS

CHY

B/NXS

ZEP VDE

HO

C

OH

OH

Neoxantina

Ingegneria nutrizionale della pro-vit.A in pomodoro:sovra-espressione o sotto-espressione della lyβcy

Pds β-Chy Nos

in B (IL)

Pds β-Chy Nos

Pds β-Lcy Nos

+

in Money-maker

Lyco

Beta

Zea+Cr

Lut

MM BMM(B+C) B(C)

OH

HO

Lycopene

β-carotene

Zeaxanthin

β-cryptoxanthin

β-Lcy

β-Chy

β-Chy

OH

Ingegneria genetica del contenuto di xantofille nel pomodoro:espressione della lyβcy e della β-chy

Grafico1

0

500

1000

1500

2000

2_20 3_3 42-37T0

42-37T1-1

42-37T1-2

42-37T1-3

MM 1 MM 2

Line

tot Xanthob-CaroteneLycopene

Contenuto in carotenoidi

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

3/3 (3) 42/37 T0 42/37 T1

(1)

42/37 T1

(2)

42/37 T1

(3)

M M

SE

AVG

Consistenza del frutto

Pds β-Chy Nos

in Money-maker

Effetti-paradosso dell’ingegneria genetica:il β-carotene che non ti aspetti...

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… ????

Conclusioni

In attesa dei “Golden Crops”, sfruttare le risorse naturali:

MANGIATE FRUTTA E VERDURA E BEVETE VINO ROSSO!!!

•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)

Collaborazioni

AcknowledgmentsAcknowledgmentsENEACarlo RosatiPatrizia PallaraRaffaela TavazzaLeonardo GilibertoGaetano PerrottaGianfranco Diretto

Univ. HalleThomas FesterDieter Strack

Funding:European CommissionItalian Ministry of ResearchItalian Ministry of Agriculture

Postdoctoral positions availableContact: giuliano@casaccia.enea.itCNRS Strasbourg

Florence BouvierBilal Camara

Univ FreiburgJohannes von LintigRalf WelschPeter Beyer