المركبات الأيضية الثانوية في النبات
أهمية المركبات الثانوية Secondary metabolites
هي مركبات ثانوية By-products تنتج في النبات أثناء تمثيل المركبات الأيضية الأساسية التي لها أهميتها لنمو وتطور النبات مثل البروتينات والكربوهيدرات والدهون وغيرها. ومعظم المركبات الثانوية قد لا يكون لها أهمية في نمو النبات وتطوره. وهي مركبات بسيطة أو متعددة ومختلفة في تركيبها الكيميائي فمنها زيوت طيارة Volatile oil وقلويدات Alkaloids وتربينات Terpenoids وإسترويدات Steroids وأنثوسيانينات Anthocyanins وأنثراكوينونات Anthraquinones وفلافونات Flavanoids وجليكوزيدات Glycosides وفينولات Phenols ومركبات اليفاتية Aliphatic ومركبات أخرى كثيرة. وهذه المركبات محدودة الانتشار بين الأنواع النباتية. فقد يحتوي نوع أو جنس نباتي دون غيره على مركب محدد أو عدة مركبات تكسبه صفة التميز على غيره من النباتات. وقد ينحصر تواجد هذه المركبات في عضو أو نسيج معين دون غيره مثل الورقة والزهرة والثمرة والقلف والبذرة وغيرها. وقد يظهر تركيزها في مرحلة معينة من النمو والمركبات الثانوية في النبات لها أهمية كبيرة للإنسان في المجالات الطبية والصناعية مثل صناعة الأدوية Drugs ومكسبات الطعم Flavors والعطور Perfumes والصبغات Pigments وغيرها. وهذه المركبات غالبا ثابتة التركيب لا تتغير ويصعب بناؤها داخل المعمل. وأهميتها للنبات غير معروفة حتى الآن. وقد تكون بعض هذه المركبات سامة وحامية للنبات ضد أعدائه الحيوية. ويستخلص الإنسان هذه المركبات لمقاومة الآفات. وتستخدم زراعة الأنسجة لاستخلاص كثير من المنتجات الثانوية من الأنسجة أو الأعضاء النباتية المنتجة والخازنة لها مباشرة Endogenous. وتزرع الخلايا معلقة في بيئة سائلة في مخمرات كبيرة لإكثارها .
وتستخلص المركبات الثانوية على نطاق تجارى مباشرة من البيئة السائلة وتسمى Exogenous. ومنذ خمسينات القرن العشرين حدث تطور كبير في إنتاج المخمرات والمعدات لاستخلاص المنتجات الثانوية من المزارع المعملية بكفاءة عالية جدا. وتستخدم هذه الأجهزة في استخلاص العديد من المنتجات الطبية مثل استخلاص حمض Chiorogenic من نبات Haplopappus والفينولات Phenolics من نبات Acer والسربنتين Serpentine من نبات Catharanthus والنيكوتين Nicotine من نبات Nicotiana.
مكسبات الطعم
1- المجموعة الأولى
هي مجموعة من مكسبات الطعم موجودة بصورتها النهائية في خلايا النبات Endogenous ومنها :
(أ) مكسبات طعم بسيطة Simple flavours
مركبات كيميائية ترتبط بها مجموعة واحدة صغيرة تكسبها صفة مميزة مكسبة للطعم مثل الكابسيسين Capsaicin في الفلفل Capsicum و Gingerois في الزنجبيل Zingiber.
(ب) مكسبات طعم معقدة Complex flavours
مركبات مختلفة في تركيبها ورتبتها الكيميائية. فقد تكون زيوتا عطرية طيارة أو مركبات ثابتة تنتشر في ثمار الفاكهة والخضر، وتشترك المركبات الموجودة في ثمرة معينة في إظهار الطعم والرائحة المميز لها (1977 Van Straten,) .
2- المجموعة الثانية
مركبات كيميائية ليست مكسبة للطعم، توجد في خلايا النبات في صورة بواديء Precursors ، تتحول إلى مركبات مكسبة للطعم أثناء المضغ أو التقطيع مثل الثوم والبصل والكرنب حيث تتكون مركبات مكسبة للطعم نتيجة النشاط الإنزيمي على البوادي الموجودة في خلايا الثمرة. ففي البصل مثلا توجد مركبات S-methyl; S-propyl ; S-trans-prop-l-enyl-L-cysteine sulphoxide; مشتقة Derivatives من مركبات أخرى. وتعتبر بوادي رئيسية غير طيارة. وخلال تمزق الخلية تتعرض هذه البواديء لنشاط إنزيم Ailiinase الذى يؤدى إلى إنتاج بوادىء سلفوأكسيد Sulphoxide precursors، وهذه بدورها تتحلل إنزيميا لتكون حمض سلفينيك Sulphenic acid مع الأمونيا Ammonia ومركب Pyruvate. ويدخل حمض السلفينيك في سلسلة من التفاعلات الكيميائية ينتج عنها مركبات عديدة متطايرة تحتوي على الكبريت ومكسبة للطعم. كذلك توجد منتجات ثانوية أخرى مكسبة للطعم مشتقة من مركبات داخل الخلية غير مكسبة للطعم. ويمكن الحصول عليها أثناء عملية التخمر Fermentation أو عمليات أخرى، ومن أمثلة ذلك المركبات المكسبة لطعم الكاكاو Cocoa والفانيليا Vanilla التي تظهر أثناء معالجة Curing الثمار والطعم المميز للبن Coffee الذي يظهر أثناء التحميص.
نظم إنتاج المركبات الأيضية في المعمل
1- نظم الخلايا غير المتحركة Immobilized cell systems
وفيه تطمر الخلايا Embedded cells أو تصيد الخلايا Entrapped cells في مادة جيلاتينية Gel أو فوم Foam، وتبقى ساكنة الحركة Immobilized وهي في بيئة غذائية سائلة. وعند وصول الخلايا إلى ما بعد مرحلة أو مرحلتين من مراحل الثبات Stationary phase تستخلص المركبات الثانوية منها والهدف من هذا النظام هو إنتاج مستمر أو نصف مستمر للمركبات الثانوية طبيعيا واستخلاصها بسهولة. ومن أمثلة ذلك استخلاص مادة الشيكونين Shikonin الحمراء تجاريا من نبات Lithospermum erythrorhizon حيث تزرع خلايا النبات في مخمر كبير Fermentor يحتوى على بيئة غذائية خاصة بزراعة وإكثار (Propagation medium) الخلايا بكمية كبيرة، ثم تنقل الخلايا إلى مخمر آخر يحتوى على بيئة جديدة تسمى بيئة إنتاج (Production medium). وثبت نجاح هذه الطريقة في إنتاج مادة الكابسيسين Capsaicin من خلايا ثمار الفلفل Capsicum fritescens ، ومادة الأنثراكوينون Anthraquinones من نبات Morinda citrifolia، ومادة Tropane alkaloids من نبات الداتورا Datura innoxia.
2- نظم التحولات البيولوجية Biotransformation System
استخدمت زراعة الأنسجة لإنتاج مركبات أيضية ثانوية في الخمسينات من القرن العشرين. وتتميز هذه الطريقة بإنتاج مركبات تحت ظروف معملية منضبطة ومعقمة بنظام التحولات البيولوجية، حيث يضاف إلى البيئة الغذائية واحد أو أكثر من البوادئ الكيميائية، فيتم تحويله إلى منتج جديد أكثر قيمة، ويستلزم لذلك توفير بعض الإنزيمات بجانب المكونات الأساسية البسيطة للبيئة الغذائية مثل السكروز والعناصر الغذائية لتمثيل منتج أكثر تعقيدا. وقد يستلزم إضافة أو استبعاد أحد المجموعات الكيميائية من أحد المركبات من خلال عمليات حيوية مثل Hydroxylation و Glycosylation و Acetylation وMethylation ومن أمثلة ذلك :
- استخلاص مركب Digitoxin من خلايا نبات الديجيتاليس (Foxyglove) Digitalis lantana المنزرعة في بيئة سائلة. ثم تحويل مركب Digitoxin إلى مركب Digoxin المستخدم في علاج أمراض القلب. وتتم هذه العملية بإضافة مجموعة هيدروكسيل لذرة الكربون رقم 12 وتسمى بعملية Hydroxylation .
- إنتاج قلويدات Alkaloids مثل مركب Scopolamine بزراعة خلايا نباتات Hyoscyamus niger; Atropa beklladonna .
- إنتاج مركبات Anthocyanins من خلايا نباتات الجزر Daucus carota Catharanthus roscus .
- إنتاج مركب Anthraquinones من نبات Morinda citrifolia .
- إنتاج صبغة الشيكونين الحمراء Red pigment shikonin من نبات Lithospermum erythrorhizon
- إنتاج مادة الكابسيسين Capsaicin من خلايا ثمار الفلفل Capsicum frutescens
- إنتاج مركب Tropan alkaloids من خلايا نبات الداتورا Datura innoxia.
- إنتاج مركب النيكوتين المستخدم كمبيد حشري من خلايا التبغ.
- إنتاج الفانيليا Vanillin من خلايا نبات الفانيليا بدلا من استخلاصها مباشرة من الثمار.
مواصفات الخلايا النباتية المستخدمة في إنتاج مركبات ثانوية
- تتميز بوجود تعبير جيني متجانس Homogenous ثابت وراثيا يؤدى إلى إنتاج مرتفع.
- تتميز الخلايا بسرعة النمو والانقسام والنضج لأن في ذلك زيادة إنتاج المركبات الثانوية.
- الخبرة المتميزة للباحث في فصل وانتخاب الخلايا أو النسيج المنتج للمركبات الثانوية بدقة وتغيير اتجاه دورة التفاعل في الوقت المناسب .
- الخبرة المتميزة للباحث في تحديد موعد جمع المركبات الأيضية الثانوية، حيث إنه مرتبط بمرحلة ما بعد الانقسام Post-division phase أثناء دورة نمو الخلايا في المعمل.
استخلاص بعض مكسبات الطعم في المعمل
مازالت المعلومات المتوفرة حتى الآن عن مسار التفاعلات الكيميائية التي تؤدى إلى بناء كثير من المركبات الثانوية في النبات محدودة. وهذا مؤكد بالنسبة لمسار التفاعلات الخاصة بالمركبات الوسطية التي تؤدى إلى تكوين مكسبات الطعم، خصوصا إذا كانت تنتج في خلايا أو عضو نباتي محدد من خلال تتابعات لبناء حيوي معبر عنه وراثيا، وهذا التعبير الوراثي مرتبط بفترة زمنية من السنة أو مرتبط بمرحلة معينة من نمو النبات. لذلك فمن المهم استخدام وسائل الهندسة الوراثية لنقل الجينات بهدف زيادة إنتاج مركبات اقتصادية محددة وخفض أو منع تكوين مركبات أخرى غير مرغوبة. ويجب أن تتميز الأجهزة الخاصة بزراعة الأنسجة بالكفاءة الذاتية لقياس سرعة نمو الخلايا والتحكم في سرعتها وإنتاج مركبات مستهدفة. كما يجب أن تكون الأجهزة مزودة بوسائل إيقاف التمثيل البنائي في الوقت المناسب وإجراء التجارب في أية فترة من السنة وتحقق معدلا عاليا من الإنتاج وتعتبر هذه النوعية من النظم وسائل جيدة لاستخلاص الإنزيمات والتعرف على المسار الكامل لتمثيل بعض المواد مثل مادة Berberine الموجودة في نبات Berberis ونبات Coptis. وأجريت دراسات عديدة على أنواع مختلفة من مزارع الأنسجة النباتية والكالس ومعلق الخلايا ومزارع الخلايا غير المتحركة لإنتاج مركبات مكسبة للطعم Hong and Harlander, 1989)). ومن أمثلة ذلك :
1- الكابسيسين Capsaicin
يستخرج الكابسيسين من ثمار الفلفل التابعة للنوع Capsicum frutescens ويعرف تجاريا بالشطة الأفريقي African chilies وثمار النوع Capsicum annum ويعرف تجاريا بفلفل تاباسكو Tabasco وتعرف هذه الشطة بأسماء تجارية أخرى مثل الشطة السوداني أو شطيطة أو فلفل أحمر. وتعتبر أمريكا الوسطى وأمريكا الجنوبية هي الموطن الأصلي لنبات الشطة. وتزرع بنجاح في الوطن العربي وخاصة السودان والثمار هي قرون صغيرة خضراء اللون في المرحلة الأولى من نموها ثم تتلون باللون الأحمر عند نضجها وطعمها حريف جدا والثمار الناضجة الحمراء الجافة هي المستعملة طبيا وتحتوي ثمار الشطة على قلويد الكابسيسين Capsaicin بنسبة 0.02 % وهي المادة الحريفة الرئيسية في ثمار الفلفل، وكان إنتاج مادة الكابسيسين منخفضا قبل تواجد المخمر الحيوي Biofermentor الذي كان سببا في ارتفاع نسبة الاستخلاص إلى 100 ٪. وساعد على ذلك انتخاب سلالات من الفلفل تتميز بارتفاع محتواها من الكابسيسين واستخدام نظام معلق خلايا غير متحركة ، وتوفير الظروف البيئية المحيطة المناسبة للاستخلاص. وتوضع الخلايا في كيس شبكي من حبيبات بولي يوريثان فوم Reticulated Polyurethane Particles Foam. وبإضافة مركب Isocarpic acid أحد البوادي Precursors المنتجة للكابسيسين مباشرة إلى البيئة الغذائية السائلة تم الحصول على مزيد من الإنتاج. وكان أعلى معدل إنتاج هو 0.5 ملليجرام Capsaisin / جرام مادة جافة يوم. كما زاد إنتاجية هذه المزارع باستخدام مراقد غير متحركة لخلايا الفلفل مصنوعة من جسيمات فوم ورقية Stationary foam particles .
2- الفانيلين Vanillin
نبات الفانيليا Vanilla planifolia معروفة بالفانيليا المكسيكي Mexican vanilla وهي من نباتات المناطق الحارة. ويسمى في المكسيك وجاميكا بالخروب العطري وتزرع الفانيليا للحصول على ثماره وهي قرون رفيعة اسطوانية. طول القرن حوالي 20 سم. القرون الخضراء يتحول لونها عند النضج إلى الأصفر، وبعد معالجتها Curing صناعيا تتحول إلى البنى القاتم وتبدأ المعالجة بجمع القرون الخضراء مكتملة النمو وقبل اكتمال نضجها. ثم تجفف لتتكون بها مادة الفانيلين. وتحتوي القرون الخضراء على مواد جلوكوزيدية أهمها جلوكوفانيلين Glucovanil lin المعرفة باسم أفينين Avenein وكحول Glucovanillic alcohol. وأثناء المعالجة يتحلل الجلوكوفانيلين بفعل الإنزيمات إلى جلوكوز ومادة الفانيلين. ويتحلل Glucovanillic يفعل الإنزيمات إلى جلوكوز وكحول الفانيليك Vanillic ، ويتحلل كحول الفانيليك بعد ذلك إلى مادة الفانيلين.
ومعالجة قرون الفانيليا خطوة هامة لاكتمال تكوين مادة الفانيلين Vanillin فيها وإعدادها للتسويق. وتختلف طرق المعالجة باختلاف منطقة زراعة الفانيليا. وتجرى المعالجة بإحدى الطرق الآتية :
1- تعرض الثمار للشمس حتى تجف، ثم تحفظ بعد تجفيفها بين طبقات من البطاطين الصوف، ثم تعرض للشمس عدة أيام حتى يتم معالجتها واكتمال لونها وتكوين مادة الفانيلين.
2- تعرض الثمار لغاز الإيثلين Ethylene في حجرات خاصة لفترة زمنية لمعالجتها وتكوين مادة الفانيلين.
3- تغمس القرون لعدة ثوان في ماء مغلي وتكرر 2-3 مرات، ثم تجفف في أفران ثم تحفظ بين طبقات من بطاطين صوف داخل حجرات حتى تتم المعالجة وتكوين مادة الفانيليا. وهذه طريقة تعطى نتائج أفضل.
استخلاص مادة الفانيلين Vanillin
مادة الفانيلين المكسبة للطعم هي بللورات بيضاء لها رائحة وطعم قرون الفانيليا الجافة. وتخلق هذه المادة في خلايا القرن من بوادي جلوكوزيدية Glycosidic precursors في وجود إنزيم B-glycosidase أثناء عملية المعالجة. وبالرغم من أن مركب الفانيلين Vanillin هو المكون الأساسي لمادة الفانيليا ، إلا أن عملية التخمر تؤدى إلى إنتاج مركبات أخرى تتواجد بتركيزات مختلفة وتتميز بتفوقها العالي في طعم ورائحة الفانيليا Vanilla الطبيعي نفسه. وقد أدخلت تحسينات في مزارع معلق خلايا نبات الفانيليا للحصول على أعلى إنتاج لها وهو 383 ميكروجرام / لتر/ يوم، ويظهر المركب المنتج في معلق الخلايا في صورة فينول حر أكثر من أن يكون Glycoside. كذلك أدخل تطور آخر حيث أضيف للبيئة الغذائية الخاصة بأنسجة نبات الفانيليا بادي يسمى Feruolic acid يشجع إنتاج مادة الفانيلين. وأثبتت التجارب السابقة في عدم تجمع مركبات فينولية مكسبة للطعم في مزارع الخلايا المعلقة لنبات الفانيليا مالم تظهر مع مركب Chitosan الذي يعمل على تجمع حمض الفانيليك Vanilic acid أكثر من الفانيلين Vanilin. وقد ثبت أن مركب Isoferulic acid هو البادئ لحمض الفانيليك Vanillic acid . ونظرا لارتفاع سعر الفانيلين فقد أمكن تحضيرها من مصادر أخرى منها مادة كونيفرين Coniferin الموجودة في جذوع بعض أنواع أشجار الصنوبر. وتحضر أيضا من اللجنين Legnin الموجود في لب الخشب وهو ناتج ثانوي من صناعة الورق. كما يمكن تحضير مادة الفانيلين من مادة إجينول Eugenol وهي مادة فينولية موجودة في زيت القرنفل.
3- المواد المكسبة للطعم في البصل والثوم
يظهر الطعم المميز للبصل والثوم نتيجة تأثير إنزيم الألينيز Alliinase على بوأدي وسطية ناتجة من تحلل إنزيمي لمركب S- alkyl- cysteine sulpoxide ولذلك يستلزم وجود هذا المركب مع إنزيم الألينيز في مزارع الخلايا للحصول على أفضل النتائج. ومن خلال مزارع الخلايا المعلقة للبصل أمكن تنشيط الخلايا بتغذيتها على بوادي مكسبات الطعم وفى وجود إنزيم الألينيز في البيئة الغذائية. وثبت بالتجربة أن
مركب 14C-labelled - (2-carboxypropyl) - L -Cysteine هو البادئ لمركب S-trans prop-l-enyl -L- cysteine والمركب الأخير هو بادئ أيضا، ومضمون هذه التجربة أن مسارات التفاعل المذكورة يتم التعبير عنها حتى في الزراعات المعملية غير القادرة للوصول إلى الطعم النهائي المميز للبصل وثبت أن المستويات المنخفضة (0.5 ملليجرام / لتر) من منظم النمو Picloram في البيئة الغذائية لنمو كالس البصل أدى إلى تنشيط تراكم المركب S- trans prop- 1-enyl L-cysteine sulphoxide للوصول إلى مستوى 40٪ من التركيز الموجود في البصل. وهذه المزروعات الخلوية لها القدرة على إنتاج مركبات مميزة لطعم البصل لأن لها القدرة على تكوين كل البوادي الأساسية له (1988 .Musker, et al). كذلك ثبت أن المستويات المنخفضة من منظم النمو Picloram في البيئة الغذائية تنشط تكوين الجذور ونمو البراعم الخاصة بالنموات الخضرية، بينما المستويات المرتفعة من هذا الهرمون تؤدى إلى تكوين بادئ السلفوكسيد Sulphoxide precursor بدون حدوث تكشفات للبراعم والجذور. وعلى ذلك فليس من الضروري الربط بين العمليتين (Collin et al. 1989).
4 - زيت النعناع Mint essential oil
مزارع الكالس لخلايا النعناع Mentha piperita عادة منخفضة في إنتاجيتها من زيت النعناع. وهو زيت ترتفع فيه نسبة كل من مادتي Menthofuran; Pulegone بالمقارنة بنبات الأم الذي يحتوي على نسبة مرتفعة من الزيت الكلى الذي يسود فيه مادتا Menthone; Menthol. كذلك ثبت وجود تربينات أحادية Monoterpenes في مزارع السلالات الخلوية Cell lines للنعناع بنسب صغيرة ووحيدة ضمن مكونات الزيت الطيار بالإضافة إلى كميات شحيحة من مركبات Neomenthol; Menthone ;Neomenthyl acetate ولا توجد خلايا تحتوي على Menthol. ويعزى عدم تجمع التربينات الأحادية في خلايا النعناع إلى سرعة تحللها أكثر من بنائها في الخلية لأنها مركبات سامة Phytotoxic متجمعة ومعزولة خارج الخلايا في مكان بين جدار الخلية وكيوتيكل الخلايا المفرزة للغدد الزيتية. وفى زراعة الأنسجة لا يوجد فاصل فيزيقي بين بناء وتخزين التربينات الأحادية ولا توجد وسائل تحمى التربينات من التحلل المباشر وهي في بداية نشأتها. كما ثبت أن زراعة الخلايا على بيئة غذائية ثنائية المظهر Two phase systems مفيدة في تشجيع تراكم التربينات من بعض الأنواع النباتية. وأن المركبات المحبة للدهون Lipophilic مثل الجليسريدات الثلاثية ومنها مركب Myglyol مفيدة لادمصاص وتنظيم التربينات الأحادية المفروزة في البيئة الغذائية للخلايا. ويمكن القول بأن وجود مركبات الادمصاص غير القطبية Non- polar adsorbents له أهميتها لتتبع تراكم التربينات الأحادية. وبالرغم من النجاح المحدود في مزارع خلايا كالس النعناع غير المتكشف، إلا أن كالس نوع النعناع M. piperita المتكشف أعطى نموات خضرية وأنتج كميات معنوية من التربينات الأحادية الطبيعية.
5 - مكسبات طعم الفاكهة Fruit flavours
توجد مركبات معقدة مكسبة لطعم الفاكهة أهمها مكسبات طعم الفراولة والموالح. ويستخدم مكسب طعم الفراولة على نطاق واسع في الصناعات الغذائية. وحدث تطور محدود في زراعة الأنسجة للحصول على طعم الفراولة Hong, and Harlander 1989 ويشترك حوالي 200 مركب في إظهار طعم الفراولة منها إسترات Esters وكيتونات Ketones وكحولات Alcohols وأحماض عضوية Organic acids ولاكتونات Lactoes والفيورانات Furans ومكسبات طعم الجوافة من المركبات الهامة والمعقدة. وفي دراسة تحليلية لكالس ناتج من خلايا ثمار الجوافة استخدم فيها جهاز (Gas chromatography (GC تم التعرف إلى 19 مركبا متطايرا من 58 مركبا موجودة أصلا في ثمار الجوافة.
الاكثر قراءة في الزراعة النسيجية
اخر الاخبار
اخبار العتبة العباسية المقدسة
