Advances and challenges on the in vitro production of secondary metabolites from medicinal plants

Resumo

Abstract

The production of secondary metabolites from medicinal plants, also called Plant-Derived Medicinal Compounds (PDMC), is gaining ground in the last decade. Concomitant to the increase in the knowledge about the pharmacological properties of these compounds, horticultural plants are becoming the most important, sustainable and low-cost biomass source to obtain high-complex PDMCs to be used as medicaments. Biotechnological tools, including plant cell and tissue culture and plant genetic transformation, are increasingly being employed to produce high quality and rare PDMC under in vitro conditions. The proper use of these technologies requires studies in organogenesis to allow for better control of in vitro plant development and, thus, to the production of specific tissues and activation of the biochemical routes that result in the biosynthesis of the target PDMCs. Either biotic or abiotic factors, called elicitors, are responsible for triggering the PDMC synthesis. In vitro techniques, when compared to the conventional cultivation of medicinal plants in greenhouse or in the field, have the advantages of (1) producing PDMCs in sterile and controlled environmental conditions, allowing better control of the developmental processes, such as organogenesis, and (2) producing tissues with high PDMC contents, due to the efficient use of different biotic and abiotic elicitors. Nevertheless, the process has many challenges, e.g., the establishment of step-by-step protocols for in vitro biomass and PDMC production, both involving and being affected by many factors. Other limitations are the high costs in opposition to the relatively cheaper alternative of growing medicinal plants conventionally. This paper aims to quickly review the general origin of plant secondary metabolites, the leading techniques and recent advances for PDMC in vitro production, and the challenges around the use of this promising technology.

Keywords: plant-derived medicinal compounds, in vitro cell and tissue culture, techniques, biotic and abiotic factors, biofactories

Resumo

Avanços e desafios na produção in vitro de metabólitos secundários de plantas medicinais

A produção de metabólitos secundários de plantas medicinais, também chamados de Compostos Medicinais Derivados de Plantas (PDMC), vem ganhando importância na última década. Concomitante ao aumento do conhecimento sobre as propriedades farmacológicas destes compostos, as plantas da horticultura tornam-se a fonte de biomassa mais importante, sustentável e de baixo custo para a obtenção de PDMCs de alta complexidade a serem utilizados como medicamentos. Ferramentas biotecnológicas, incluindo cultura de células e tecidos e transformação genética, estão sendo cada vez mais empregadas para produzir PDMCs raros e de alta qualidade sob condições in vitro. O uso adequado dessas tecnologias requer estudos em organogênese para permitir um melhor controle do desenvolvimento in vitro das plantas e, assim, da produção de tecidos específicos e ativação das rotas bioquímicas que resultam na biossíntese dos PDMCs alvo. Elicitores bióticos ou abióticos são responsáveis por desencadear a síntese desses PDMCs. As técnicas de produção in vitro, quando comparadas ao cultivo convencional de plantas medicinais em casa de vegetação ou no campo, têm as vantagens de (1) produzir PDMCs em condições ambientais estéreis e controladas, permitindo um melhor controle de processos de desenvolvimento, como a organogênese, e (2) produzir tecidos com alto teor de PDMCs, devido à aplicação eficiente de diferentes elicitores. No entanto, o processo tem muitos desafios como, por exemplo, o estabelecimento de protocolos para produção in vitro de biomassa e PDMC, ambos envolvendo e sendo afetados por muitos fatores. Outras limitações são os altos custos em oposição à alternativa relativamente mais barata de cultivar plantas medicinais convencionalmente. O objetivo deste artigo é revisar brevemente a origem dos metabólitos secundários das plantas, as principais técnicas e avanços recentes para a produção in vitro de PDMCs e os desafios em torno do uso dessa tecnologia promissora.

Palavras-chave: compostos medicinais derivados de plantas, cultura de células e tecidos in vitro, técnicas, fatores bióticos e abióticos, biofábricas.