New strategies for improving the biotechnological production of pharmaceuticals and biopharmaceuticals in plant cell and organ cultures

Abstract

The thesis is presented as a compendium of publications and includes six different sections: General Introduction, Objectives, Results, General Discussion, Conclusions and References. The General Introduction summarizes the state of the art of Plant Cell and Organ Cultures (Plant Biofactories) and their applications for the pipeline production of Cosme-, Pharma- and Biopharmaceuticals. Objectives describes the overall aim of the PhD thesis, as well as the specific goals of each chapter of the Results section. The five chapters of the Results section are based on published scientific articles in ISI journals, where the PhD candidate is always the first author and in each article and when possible according with the editorial rules, it is mentioned that it forms part of his PhD thesis. Each chapter clearly refers to a particular goal of Plant Biofactories employed for the production of biologically active high added-value compounds. Briefly:

a) Chapter 1 aims to demonstrate the effectiveness of plant in vitro cultures of Centella asiatica for the production of centellosides in optimized conditions by adding elicitors and potential precursors. Centellosides are widely utilized for their therapeutical properties and C. asiatica cell lines are also currently applied as cosmetic ingredients.

b) Chapter 2 focuses on the biotechnological production of t-resveratrol, a bioactive compound found in wine and other foods, in engineered hairy roots of tobacco. The study aims to demonstrate the power of metabolic engineering tools for designing new organisms with modified metabolic capacities and their utility for the production of scarcely distributed plant compounds.

c) Chapter 3 provides a paradigmatic example of how a metabolic pathway can be extended in a host organism by means of metabolic engineering tools. Silybum marianum cell cultures, which have the natural ability to produce polyphenol silymarins, are shown to have a previously unexplored capacity for the heterologous production of t-resveratrol, a new polyphenol in this plant species.

d) Chapter 4 aims to demonstrate the broad capacity of plant cells for bioconverting exogenous substrates to target products, showing that tobacco hairy roots and their derived cell cultures can biotransform t-resveratrol into the more active metabolites t-piceatannol and t-pterostilbene, both high added-value compounds scarcely distributed in nature.

e) Chapter 5 describes the production of the truncated human tissue plasminogen activator (K2S) in tobacco cell cultures derived from transplastomic plants, aiming to avoid the disadvantages of biopharmaceutical production in field transgenic crops.

The Discussion section includes a general discussion of the main results obtained and described in the five chapters of the PhD thesis in the context of recent studies and the objectives of the thesis. In the Conclusions section, the main conclusions derived from the results reported in the five chapters are briefly summarized. The References include the complete references of all the articles cited in the general sections of the PhD thesis.

La tesis se presenta como un compendio de publicaciones e incluye seis secciones diferentes: Introducción General, Objetivos, Resultados, Discusión General, Conclusiones y Referencias. La Introducción General resume el estado de la técnica de cultivos de células y órganos vegetales (Biofactorias Vegetales) y sus aplicaciones para la producción de cosméticos, farmacéuticos y biofarmacéuticos. En Objetivos se describe de forma general el propósito de la tesis doctoral, así como los objetivos específicos de cada capítulo. Los cinco capítulos de la sección Resultados se basan en artículos científicos publicados en revistas ISI, donde el candidato a doctorado es siempre el primer autor y en cada artículo y cuando es posible de acuerdo con las normas editoriales, se menciona que forma parte de su tesis doctoral. Cada capítulo se refiere claramente a un objetivo particular de las biofactorías vegetales empleadas para la producción de compuestos biológicamente activos de alto valor añadido. Brevemente:

A) El capítulo 1 tiene como objetivo demostrar la efectividad de cultivos in vitro de Centella asiatica para la producción de centellósidos en condiciones optimizadas mediante la adición de elicitores y potenciales precursores. Los centellósidos son ampliamente utilizados por sus propiedades terapéuticas y las líneas celulares de C. asiatica también se aplican actualmente como ingredientes cosméticos.

B) El capítulo 2 se centra en la producción biotecnológica de t-resveratrol, un compuesto bioactivo que se encuentra en el vino y otros alimentos, en las raíces peludas del tabaco. El objetivo del estudio es demostrar el poder de las herramientas de ingeniería metabólica para el diseño de nuevos organismos con capacidades metabólicas modificadas y su utilidad para la producción de compuestos vegetales escasamente distribuidos.

C) El capítulo 3 proporciona un ejemplo paradigmático de cómo una vía metabólica puede extenderse en un organismo huésped por medio de herramientas de ingeniería metabólica. Los cultivos de células de Silybum marianum, que tienen la capacidad natural de producir polifenol silimarinas, muestran una capacidad previamente inexplorada para la producción heteróloga de t-resveratrol, un nuevo polifenol en esta especie vegetal.

D) El capítulo 4 tiene como objetivo demostrar la amplia capacidad de las células vegetales para la bioconversión de sustratos exógenos a los productos objetivo, mostrando que las raíces del tabaco y sus cultivos celulares pueden biotransformar t-resveratrol en los metabolitos más activos t-piceatannol y t-pterostilbene, Compuestos de alto valor añadido apenas distribuidos en la naturaleza.

E) El capítulo 5 describe la producción del activador truncado de plasminógeno de tejido humano (K2S) en cultivos de células de tabaco derivados de plantas transplastómicas, con el fin de evitar las desventajas de la producción biofarmacéutica en cultivos transgénicos de campo.

La sección de Discusión incluye una discusión general de los principales resultados obtenidos y descritos en los cinco capítulos de la tesis doctoral en el contexto de estudios recientes y los objetivos de la tesis. En la sección de conclusiones, las principales conclusiones derivadas de los resultados presentados en los cinco capítulos se resumen brevemente. Las referencias incluyen las referencias completas de todos los artículos citados en las secciones generales de la tesis doctoral.