Biotecnologia Vegetal

Més informació: pinyol@farmacia.far.ub.es
 

Index:   RESUM DEL CONTINGUT  OBJECTIUS DOCENTS DE L’ASSIGNATURA  METODOLOGIA DOCENT  CRITERIS I FASES D’AVALUACIÓ DE L’ASSIGNATURA  PROGRAMA DE CLASSES TEÒRIQUES  PROGRAMA DE PRÀCTIQUES  BIBLIOGRAFIA DOCENT

RESUM DEL CONTINGUT

El programa de Biotecnologia Vegetal, aplicada a la Farmàcia, consta de tres parts. A la primera (cultiu de teixits i cèl·lules vegetals), es tracten els fonaments teòrics i les condicions experimentals per al desenvolupament de les tècniques del cultiu in vitro de protoplastes, cèl·lules, teixits i òrgans vegetals. La segona part (tecnologies per a la multiplicació o fixació d'un genotip), comprèn l'estudi teòric i pràctic dels processos orientats a la millora genètica o a la selecció de plantes medicinals i aromàtiques. La seva valoració es realitza mitjançant els cultius tradicionals després de la regeneració o desenvolupament in vitro d'una planta, i el seu objectiu principal és l'obtenció de cultius a gran escala que tinguin una productivitat homogènia i per tant controlable. També comprèn aquells processos que permeten l'obtenció de plantes transgèniques que puguin produir, a escala comercial, compostos importants d'origen humà o bacterià. La tercera part (tecnologies orientades a l'aplicació industrial) abasta fonamentalment les tècniques anomenades industrials, és a dir, aquelles que utilitzen els cultius en bioreactor de cèl·lules en suspensió, cèl·lules immobilitzades o arrels transformades, per a la producció de principis actius de medicaments i d'altres valuosos compostos químics com els colorants, essències, additius nutritius i insecticides. Es realitza un estudi global d'aquestes tecnologies, i també una descripció de processos industrialitzats o en via d'industrialització.
 

OBJECTIUS DOCENTS DE L’ASSIGNATURA

Proporcionar a l'estudiant de Farmàcia els coneixements fonamentals i habituar-lo en els procediments del cultiu in vitro del material vegetal en els seus diferents nivells d'organització (protoplastos, cèl·lules aïllades, teixits i òrgans) i de l'enginyeria genètica vegetal per a: 1) La producció de valuosos compostos químics; 2) la millora genètica de les plantes medicinals, i 3) l'obtenció de plantes transgèniques que puguin produir, a gran escala, proteïnes humanes, enzims industrials o polímers naturals obtinguts habitualment pel cultiu de bacteris transgènics o normals.

Els cultius vegetals in vitro són, a més, medis ideals per a l'estudi de les rutes biosintètiques dels diferents metabòlits propis d'una espècie i una excel·lent font dels sistemes enzimàtics implicats en aquestes rutes.Introduir l'estudiant en aquests aspectes de la recerca bàsica, és un altre dels objectius
 

METODOLOGIA DOCENT

-Classes teòriques: Aquestes classes es desenvoluparan com a lliçons magistrals, amb el suport de tècniques audiovisuals (transparències, diapositives, etc.).

-Seminaris: Als seminaris, s'estudiaran i comentaran críticament articles, de mèrit reconegut, a fi que l'estudiant conegui les possibilitats reals i les perspectives que li ofereix la biotecnologia vegetal.

-Pràctiques: Les classes pràctiques, especialment importants en aquesta assignatura, consistiran a iniciar l'alumne en la metodologia general del cultiu vegetal in vitro, en la tecnologia dels haploids i de la micropropagació de plantes medicinals, i en l'obtenció de línies cel·lulars altament productives d'un determinat metabòlit secundari.
 

CRITERIS I FASES D’AVALUACIÓ DE L’ASSIGNATURA

L'avaluació es realitzarà mitjançant un examen de preguntes curtes (8-10), per poder valorar adequadament els coneixements globals de l'alumne. A més es considerarà la participació de l'alumne als seminaris i la qualificació obtinguda a les classes pràctiques.
 

PROGRAMA DE CLASSES TEÒRIQUES

1. Biotecnologia vegetal. Concepte i relacions amb altres ciències. Bibliografia.

Particularitats de la cèl·lula vegetal en relació amb altres organismes i sistemes vius utilitzats en Biotecnologia. Totipotència i variabilitat.

2. CULTIU DE TEIXITS I CÈL.LULES VEGETALS.

Metodologia general del cultiu vegetal in vitro. Instrumental, material de cultiu i productes. Preparació i esterilització dels medis de cultiu. Selecció i esterilització del material vegetal.

3. Inducció i cultiu del teixit de call. Morfogènesi. Embriogènesi. Cultiu de cèl·lules aïllades. Cicle de creixement. Canvis metabòlics.

4. Protoplastos. Aïllament i purificació. Cultiu. Regeneració de la paret cel·lular. Viabilitat. Els protoplastos com a sistema experimental.

5. Canvis genètics, epigenètics i fisiològics. Significació de l'euploïdia. Situacions d'autoploïdia i al.loploïdia.

Variació somaclonal. Aplicacions de la variació somaclonal. Millora genètica.

6. Conservació del material vegetal. Significació i procediments generals. Metodologia de la crioconservació. Crioprotectors. Assaigs de viabilitat. Conservació del material genètic.

7. TECNOLOGIES PER A LA MULTIPLICACIÓ O FIXACIÓ D'UN GENOTIP

Multiplicació vegetativa de plantes superiors. Cultiu d'àpex de tija. Cultiu de meristeme. Plantes lliures de virus. Micropropagació i aclimatació. Significació pels cultius de plantes medicinals o aromàtiques.

8. Aspectes fisiològics de l'organogènesi in vitro. Funció de les diferents fitohormones. Funcions de l'oligopèptids i de les oligosacarines.

Vitrificació. Aspecte general i comportament de les plàntules vitrificades. Causes i remeis. Desviacions bioquímiques comunes.

9. Fixació d'un genotip. Producció de plantes haploides. Obtenció d'haploides in situ. Cultiu d'anteres i pol·len. Cultiu d'ovaris. Els haploides en la selecció de plantes medicinals o aromàtiques.

10. TECNOLOGIES PER A LA MODOFICACIÓ D'UN GENOTIP

Creació de noves varietats per hibridació somàtica. Fusió de protoplastos. Fusògens. Regeneració i propagació. Consideracions genètiques. Significació en el camp de les plantes medicinals o aromàtiques.

11. Creació de noves varietats per mutagènesi. Importància de la ploïdia. Densitat cel·lular i mutagènesi. Mutants químics. Mutants físics. Procediments de selecció. Selecció per resistència. Contraselecció. Selecció visual. Selecció total.

12. Resistència a malalties. Resistència a herbicides. Tolerància a l'estrès ambiental. Resistència a aminoàcids i anàlegs als aminoàcids. Resistència a antibiòtics. Altres tipus de resistència. Mutants auxòtrofs.

13. Aplicació de la tecnologia dels haploides per crear noves varietats. Transferència de gens entre espècies. Addició i substitució de cromosomes entre espècies. Metodologia i exemples. Significació en el camp de les plantes medicinals i aromàtiques.

14. Creació de noves varietats per enginyeria genètica. Principis generals. Organització bàsica dels gens vegetals. Promotors i altres seqüències reguladores. Aïllament i clonació d'un gen funcional. Mètodes per a la transferència de gens a la cèl·lula vegetal.

15. Vectors de gens. Sistema Agrobacterium tumefaciens. Plàsmide Ti. Estudi detallat del T-DNA. Oncogens. Transferència i integració del T-DNA. Seqüències de les vores. Gens de virulència. Formació i transferència de la cadena T.

16. El plàsmide Ti com a vector de gens. Sistema integratiu. Sistema binari. Construcció de gens quimèrics. Aïllament de cèl·lules vegetals transformades per T-DNA no oncogen. Inoculació de plantes. Cocultiu in vitro. Mètode dels discos de fulla. Reconeixement del material transformat.

17. Sistema Agrobacterium rhizogenes. Plàsmide Ri. Estudi detallat del T-DNA. Gens rol i gens aux. Transferència i integració del T-DNA. Origen dels gens localitzats en el T-DNA. Regeneració de plantes i manipulació genètica.

18. Virus DNA com a vectors de gens. Caulimovirus. Geminivirus.

Mètodes de transferència directa. Microinjecció de DNA o de plàsmides en els protoplastos. Fusió de protoplastos amb liposomes portadors del DNA a introduir. Tipus de liposomes i les seves propietats. Factors que afecten la transferència de DNA per mitjà de liposomes.

19. Aplicacions de l'enginyeria genètica. Canvis en el contingut de fitohormones. Canvis en el contingut d'aminoàcids i en el contingut d'enzims. Plantes resistents a agents biològics i factors del medi. Plantes que codifiques per proteïnes humanes. Plantes que codifiques per enzims i polímers industrials d'origen bacterià.

20. Fixació biològica del nitrogen. Sistema nitrogenasa. Organització i funcions del gens nif. Regulació. Fixació simbiòtica del nitrogen. Nodulines. Leghemoglobina. Organització i regulació dels gens nod. Conseqüències i perspectives.

21. TECNOLOGIES ORIENTADES A L'APLICACIÓ INDUSTRIAL

Producció in vitro de metabòlits secundaris. Introducció. Capacitat de producció de la cèl·lula vegetal. Aspecte qualitatiu i quantitatiu. Estabilitat de les línies cel·lulars. Possibilitats del cultiu a escala industrial. Acumulació de metabòlits en el medi de cultiu. Tipus de cultiu.

22. Cultiu de cèl·lules en suspensió. Metodologia per a l'establiment del cultiu en bioreactors. Elecció de la planta i de l'explant. Obtenció del call inicial. Selecció de línies cel·lulars altament productives. Procediments de selecció.

23. Millora per screening i selecció. Fonament. Procediments de screening. Screening a nivell d'una sola cèl·lula i d'una colònia. Manteniment de la línia aïllada. Mètodes analítics. Alguns exemples.

24. Optimització del medi de cultiu i de les condicions ambientals. Medi bàsic, hormones i precursors. Efecte del pH i de la temperatura. Medi de creixement i medi de producció. Aïllament i localització d'enzims.

25. Elicitació dels cultius cel·lulars. Introducció. Elicitors biòtics i abiòtics. Elecció de l'elicitor. Significació de la fase de creixement del cultius. Efecte dels elicitors sobre l'activitat enzimàtica. Bases moleculars de l'elicitació.

26. Establiment del cultiu en bioreactor. Efecte de l'estructura i de la fisiologia de la cèl.lula vegetal. Uniformitat de la barreja i aireació. Formació d'espuma, adhesió i creixement de la paret. Mida del bioreactor i disseny. Sistema de cultiu continu o discontinu. Exemples de producció a gran escala per cultius de cèl·lules en suspensió.

27. Cultiu de cèl·lules immobilitzades. Sistemes de cultiu i immobilització. Viabilitat de les cèl·lules immobilitzades. Ampliació del període de productivitat. Factors activadors i inhibidors. Exemples de producció a gran escala.

28. Comparació dels cultius de cèl·lules en suspensió i immobilitzades. Immobilització de cèl.lules i enzims. Coimmobilització d'enzims i microalgues.

Biotransformació. Introducció. Condicions per a la biotransformació. Exemples de biotransformacions importants.

29. Cultiu d'arrels transformades. Transformació del material vegetal. Mecanismes i efectes. Característiques de les arrels transformades. Establiment i cultiu dels clons de les arrels transformades. Potencial del cultiu d'arrels transformades per la producció de metabòlits secundaris. Selecció de clons altament productius. Procediment de selecció.

30. Optimització de la producció i cultiu en bioreactors d'arrels transformades. Acumulació de compostos secundaris. Alcaloides tropànics. Alcaloides indòlics. Alcaloides de quinolina i isoquinolina. Alcaloides de pirrolizidina. Isoprenoides. Monoterpens. Esteroides. Alcaloides esteroídics. Fenols.

31. Metabolisme i acumulació de compostos secundaris en elscultius cel·lulars. Introducció. Compartimentació funcional i metabòlica. Acumulació i metabolisme en relació al creixement.

Acunulació a la vacuola i secreció al medi. Degradació i polimerització peroxidativa.

Conclusions i perspectives de la producció in vitro de compostos secundaris importants a Farmàcia.
 

PROGRAMA DE PRÀCTIQUES

- Obtenció d'explants, establiment i manteniment del teixit de call (Nicotiana tabacum).

- Selecció de línies de call i cel·lulars de N.tabacum amb alta capacitat per formar l'alcaloide nicotina.

- Establiment d'un cultiu d'arrels transformades de Datura stramonium i selecció de clons amb alta capacitat per formar atropina.

- Cultiu de meristemes de Lavandula dentata i micropropagació de les plàntules regenerades.
 

BIBLIOGRAFIA DOCENT

- Transgenic Plants. Fundamentals and applications - Edited Andrew Hiatt. Ed. Marcel Dekker, INC. New York 1993.

- Biotecnologia vegetal - M.Serrano y M.T.Piñol.

Ed. Síntesis 1991.

- Cultures de cellules, tissus et organes vegetaux - J.P.Zr_d

Ed. Presses Polytechniques Romandes 1988.