نگاهی به مهندسی تولید متابولیت های ثانویه

بعضی از موجودات زنده خصوصاً گیاهان, طیف وسیعی از تركیبات موسوم به متابولیت های ثانویه را تولید می كنند در مفهوم كلی, متابولیت های ثانویه تركیباتی آلی هستند كه نقش ضروری در رشد و نمو موجود زنده ندارند گیاهان برای بیوسنتز این مواد انرژی زیادی را به كار می برند زمانی كه این تركیبات اثری بر رشد و تمایز گیاه نداشته باشند, قاعدتاً باید منافع دیگری داشته باشند

مطالعه در زمینه وظایف این تركیبات در گیاهان، یك موضوع جذاب و مهم برای بسیاری از پروژه های تحقیقاتی شده است و نقش اكولوژیكی تعدادی از این تركیبات مورد بررسی و تحقیق قرار گرفته است. با مطالعاتی كه تاكنون صورت گرفته است، به نظر می رسد كه متابولیت های ثانویه، به عنوان موادی طبیعی، نقش اكولوژیكی مهمی در واكنش های دفاعی گیاهان و همچنین گرده افشانی و انتشار دانه های گیاهان به وسیله حشرات و حیوانات دارند. بعضی از این تركیبات به عنوان علف كش و حشره كش در صنعت استفاده می شوند در حالی كه برخی دیگر كاربرد صنعتی ندارند. دسته بزرگی از متابولیت های ثانویه كاربرد دارویی و پزشكی دارند. تركیبات دیگری از این گروه نیز نقش مهمی در تغذیه انسان و دام دارند.

• تفاوت های متابولیت های ثانویه با متابولیت های اولیه

سلول ها خصوصاً سلول های گیاهی دو دسته از تركیبات را تولید می كنند؛ متابولیت های اولیه و متابولیت های ثانویه.

• متابولیت های اولیه

متابولیت های اولیه مستقیماً در رشد و متابولیسم درگیر هستند و شامل كربوهیدرات ها، لیپیدها، پروتئین ها و اسیدهای نوكلئیك می شوند. در گیاهان متابولیت های اولیه طی فرایند فتوسنتز تولید شده و سپس در ساخت تركیبات سلول نقش آفرینی می كنند. این تركیبات در حجم زیاد و با ارزش اقتصادی پائین تولید می شوند و عمدتاً به عنوان ماده خام صنعت، موادغذایی و افزودنی ها كاربرد دارند. روغن های گیاهی، اسیدهای چرب (برای ساخت صابون و شوینده ها) و كربوهیدرات هایی مانند ساكاروز، نشاسته، پكتین و سلولز مثال هایی از متابولیت های اولیه هستند. قیمت این قبیل تركیبات به طور میانگین دو دلار در هر كیلو بوده و تولید آنها در حجم انبوه امكان پذیر است. البته برخی از متابولیت های اولیه مانند میواینوزیتول و بتاكاروتن گران هستند كه علت قیمت بالای آنها، سختی استخراج و تخلیص آنها است.

• متابولیت های ثانویه

متابولیت های ثانویه از بیوسنتز متابولیت های اولیه به دست می آیند و به عنوان تركیبات فرعی و انتهایی متابولیسم اولیه در نظر گرفته می شوند. همچنین این تركیبات در فرآیندهای متابولیسمی وارد نمی شوند. مهمترین متابولیت های ثانویه آلكالوئیدها، فنولیك ها، روغن های ضروری، استروئیدها، لیگنین ها، تانن ها و فلاوونوئیدها هستند. متابولیت های ثانویه عمدتاً در گونه ها و خانواده های خاصی از سلسله گیاهان تولید می شوند. این تركیبات به مقدار كمی در سلول ذخیره شده و عمدتاً در سلول های تخصصی و در مرحله خاصی از چرخه زندگی گیاه تولید می شوند و همین امر استخراج و تخلیص آنها را در مقایسه با متابولیت های اولیه كه در تمام سلول ها تولید می شوند، دشوار می كند. گیاهان دارویی از لحاظ میزان متابولیت های ثانویه بسیار غنی هستند و تركیبات آنها را در انگلیسی Medicinal یا Officinal می نامند. این تركیبات كه از گروه متابولیت های ثانویه هستند، اثرات فیزیولوژیكی عمیقی بر پستانداران دارند و از مهمترین تركیبات دارویی هستند. از این گیاهان و اثرات فیزیولوژیك تركیبات موثره آنها به عنوان داروی خوراكی استفاده شده و در نتیجه این تركیبات، داروهای گیاهی یا داروهای طبیعی نام گرفته اند. استفاده از داروهای با منشاء گیاهی بدون انجام فرآوری خاصی، یعنی استفاده از پودر گیاه یا مواد موثره آن بدون خالص سازی عصاره گیاهی، از قدیم رواج داشته و حتی در حال حاضر و در پزشكی مدرن از طیف وسیعی از داروهای با منشاء گیاهی استفاده می شود. گرچه تعدادی از این داروها به طور مصنوعی برای مصارف ساخته می شوند ولی هنوز بسیاری از آنها از منابع طبیعی به دست می آیند. به محض اینكه اثر فیزیولوژیك یك گیاه دارویی خاص كشف شود، تلاش ها برای یافتن خصوصیات دقیق شیمیایی ماده موثره آن (داروی گیاهی) و در پی آن، یافتن روش تولید شیمیایی این تركیبات به طور تجارتی صورت می گیرد. برای تعیین خصوصیات شیمیایی و شناسایی یك متابولیت ثانویه، جداسازی آن به صورت كاملاً خالص الزامی و اولین قدم است. روش های جداسازی گوناگون و مراحل آن اكثراً طولانی است. متابولیت های ثانویه به صورت خالص و با نسبت های مشخص در پزشكی استفاده می شوند. البته در كنار خالص سازی مواد موثره گیاهان دارویی، آنها بدون تغییر نیز در سامانه های مختلف تهیه دارو استفاده می شوند. این نكته را نباید فراموش كرد كه در كنار متابولیت های ثانویه، تعدادی از متابولیت های اولیه نیز اثرات فیزیولوژیكی قوی دارند. اكثر این تركیبات پروتئینی بوده و عملكردهای مختلفی دارند. هورمون ها و زهرمارها مثال هایی از پروتئین های با اثرات فیزیولوژیكی قوی هستند. آنتی بیوتیك ها، واكسن ها و تعدادی از پلی ساكاریدها كه نقش هورمونی دارند، از جمله متابولیت های اولیه با اثر فیزیولوژیكی قابل ملاحظه هستند.

اسكلت كربنی متابولیت های ثانویه از كربوهیدرات ها تامین شده و طی فرآیند فتوسنتز ایجاد می شود. متابولیت های اولیه دیگری كه در تولید متابولیت های ثانویه نقش دارند، اسیدهای آمینه هستند. استیل كوآنزیم و اسید مِوالونیك نیز نقش مهمی در تولید انواع ترپنوئیدها دارند. مسیر اسید شیكیمیك نیز در تولید لیگنین ها و ایندول آلكالوئیدها نقش آفرینی می كند.

• مهندسی تولید متابولیت های ثانویه در گیاهان

در حال حاضر دستاوردهای زیاد و گوناگونی در مهندسی متابولیك متابولیت های ثانویه به دست آمده است. مسیرهای بیوشیمیایی مختلفی با استفاده از ژن های رمزكننده آنزیم های مهندسی شده و پروتئین های تنظیمی بررسی شده اند. در عین حال از ژن های آنتی سنس نیز برای مسدود كردن مسیرهای بیوشیمیایی و افزایش تولید متابولیت ثانویه خاصی استفاده می شود. متابولیت های ثانویه وظایف مختلفی در طول چرخه زندگی گیاه دارند. از جمله این وظایف انجام نقش تركیبات واسطه در برهم كنش گیاه و محیط اطرافش و برهم كنش گیاه با حشرات، ریزسازواره ها و حتی گیاهان اطراف است. تولید متابولیت های ثانویه همچنین ممكن است بخشی از سامانه دفاعی گیاه باشد. این تركیبات در تولیدمثل گیاه نیز نقش دارند كه از طریق جذب حشرات گرده افشان این كار را انجام می دهند. متابولیت های ثانویه گیاهی نقش مهمی در ایجاد كیفیت مواد غذایی (رنگ، طعم و بو) مختلف دارند. همچنین رنگ گیاهان زینتی و گلبرگ گل ها كه مهمترین خاصیت این دسته از گیاهان است، توسط متابولیت های ثانویه ایجاد می شود. بسیاری از متابولیت های ثانویه نیز برای تولید دارو، رنگ، حشره كش ها، طعم دهنده های غذایی و عطر استفاده می شوند. به دلیل كاربردهای فراوان، متابولیت های ثانویه موضوع جالبی برای تحقیقات اصلاح نباتات از طریق فنون مولكولی و مهندسی ژنتیك محسوب می شوند. در ده سال گذشته تحقیقات چندانی در ارتباط با متابولیت های ثانویه انجام نشده است. مانع بزرگ در انجام این تحقیقات اطلاعات اندك از مسیرهای تولید زیستی متابولیت های ثانویه و برهم كنش آنزیم های درگیر در این مسیر است. همچنین تعداد معدودی از ژن های مربوط به متابولیت های ثانویه در دسترس است. یكی از مسیرهایی كه مطالعات بیشتری در سطح ژن های دست اندركار آن نسبت به دیگر متابولیت های ثانویه انجام شده است، مسیر تولید فلاوونوئیدها و آنتوسیانین ها است. اكثر ژن های درگیر در مسیر تولید آنتوسیانین ها همسانه سازی شده و مطالعات فراوانی در سطح بیوشیمیایی، مولكولی و ژنتیك این دست از متابولیت های ثانویه صورت گرفته است. یكی از مهمترین دلایل مطالعات بیشتر در این زمینه، آسانی بررسی این مواد از روی رنگ گل ها به فنوتیپ قابل غربال گری است. دیگر مسیر تولید متابولیت های ثانویه كه در سطح آنزیم های درگیر و مواد واسط مورد مطالعه قرار گرفته است و اهمیت زیادی در داروسازی دارند، ایندول آلكالوئیدها هستند. اما در این مسیر هم ژن های محدودی مشخص شده اند. هدف از مهندسی ژنتیك مسیر یك متابولیت ثانویه، افزایش مقدار یك ماده خاص یا گروهی از تركیبات و یا حتی كاهش مقدار این تركیبات است. برای دستیابی به هدف دوم كه كاهش میزان تولید یك ماده خاص یا گروهی از مواد ناخواسته است، راه های مختلفی وجود دارد. [این مواد ممكن است تركیبات سمی در یك محصول گیاهی، مواد مانع خالص سازی یك فرآورده صنعتی یا موادی از این دست باشد.]

---