Resumen
La especia de azafrán es altamente valorada por la acumulación de apocarotenoides bioactivos, incluyendo crocinas, picrocrocina y safranal. Las dificultades del cultivo de Crocus sativus y otras especies vegetales que acumulan apocarotenoides del azafrán limita la producción comercial de estos valiosos metabolitos. Esta tesis explora estrategias biotecnológicas para la producción sostenible y escalable de apocarotenoides del azafrán utilizando tomate transgénico y cultivos de suspensiones celulares vegetales.
En primer lugar, se ha evaluado y optimizado el Tomafrán, una plataforma de tomate transgénico diseñada para acumular apocarotenoides del azafrán, como una plataforma alternativa para la producción y almacenamiento de estos metabolitos. Los productos procesados del fruto de Tomafrán retuvieron o incluso aumentaron su contenido en apocarotenoides, mostrando niveles estables de crocinas y propiedades sensoriales similares a las del azafrán, resaltando su potencial para aplicaciones alimentarias. Posteriormente, optimizamos el Tomafrán mediante la edición de los genes self-pruning (SP) y self-pruning 5g (SP5G) con CRISPR/Cas9, generando dobles mutantes sp sp5g que mostraron un alto rendimiento y una mayor acumulación de crocinas, siendo aptos para la cosecha mecanizada.
En segundo lugar, se han optimizado los niveles de producción de apocarotenoides del azafrán en el fruto. La primera estrategia consistió en introducir la dioxigenasa de escisión de carotenoides 2 de C. sativus (CsCCD2) en una planta de tomate mutante que acumula altos niveles de zeaxantina, el sustrato de CCD2, en el fruto maduro. En la segunda estrategia, se introdujo el gen CCD4a de Gardenia jasminoides (GjCCD4a) en plantas mutantes que acumulan altos niveles de ß-caroteno y zeaxantina en el fruto maduro. GjCCD4a tiene una especificidad más amplia que CsCCD2, usando zeaxantina y ß-caroteno como sustratos para producir crocinas. La expresión de GjCCD4a aumentó aún más la producción de crocinas, alcanzando los rendimientos más altos reportados en un sistema heterólogo, revelando un cambio metabólico en la composición de carotenoides y alterando el perfil de volátiles.
En tercer lugar, se han establecido cultivos de suspensiones celulares vegetales transgénicas de especies de Nicotiana que expresan CsCCD2 y GjCCD4a, junto con genes que mejoran la acumulación de carotenoides, para optimizar la producción de apocarotenoides. Las células BY-2 que expresan GjCCD4a acumularon altos niveles de crocinas, los cuales aumentaron tras la elicitación con jasmonato de metilo. Además, el perfil de carotenoides y volátiles en las células se vio totalmente alterado, demostrando cambios metabólicos más amplios. El cultivo de estas células en biorreactores de onda demostró la viabilidad de este sistema para escalar la producción de apocarotenoides del azafrán de manera aséptica y contenida.
En conjunto, esta tesis impulsa el desarrollo de plataformas de producción de apocarotenoides del azafrán basadas en plantas, proporcionando alternativas sostenibles para su uso en las industrias alimentaria, farmacéutica y cosmética.
