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Pigmenti antiossidanti
di origine vegetale
Dai prodotti naturaliall’ingegneria genetica per fini nutrizionali
Carlo Rosati - ENEA C.R. Trisaia
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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
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I principali pigmenti di origine vegetale
- Carotenoidi
- Flavonoidi: antociani, flavoni, tannini
- Betalaine (Caryophyllales, Amanita)
- Clorofilla
Foglie senescenti Fiori
epidermide
epidermide
mesofillo
UV
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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
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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
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I Flavonoidi
Winkel-Shirley, 2001 Jaakola et al., 2001
Cocciolone et al., 2002Farzad et al., 2003
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I Flavonoidi
Jaakola et al., 2001
Esempi
Mirtillo, Ribes, Uva, …
Melo, Pero, Ciliegio,Rosa, ...
Lampone, Fragola, ...
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•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
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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
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La biosintesi dei Carotenoidi
Cunningham & Gantt, 1998
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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
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Il bu$ine$$ dei Carotenoidi...
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… e delle vitamine
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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
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HO
OH
zeaxanthin
lycopene
β-carotene
Fonti primarie di carotenoidiimportanti dal punto di vista nutrizionale
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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
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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
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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...
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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!!!
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•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
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AcknowledgmentsAcknowledgmentsENEACarlo RosatiPatrizia PallaraRaffaela TavazzaLeonardo GilibertoGaetano PerrottaGianfranco Diretto
Univ. HalleThomas FesterDieter Strack
Funding:European CommissionItalian Ministry of ResearchItalian Ministry of Agriculture
Postdoctoral positions availableContact: [email protected] Strasbourg
Florence BouvierBilal Camara
Univ FreiburgJohannes von LintigRalf WelschPeter Beyer