Production of anthraquinones by in vitro culture of plant cells and hairy roots from Rubia tinctorum: Model for the teaching of bioprocesses in courses of plant tissue culture

Abstract

El cultivo vegetal in vitro es una alternativa atractiva y factible para la producción de metabolitos secundarios. Este tipo de cultivos asegura una producción continua en condiciones controladas, bajo Buenas Prácticas de Fabricación. Estos procesos biotecnológicos constituyen una excelente herramienta para la formación de estudiantes de postgrado. Efectivamente, los estudiantes pueden adquirir experiencia en diferentes áreas, tales como bioquímica vegetal, biología molecular, metabolismo primario y secundario vegetal e ingeniería bioquímica. En este trabajo, la producción de antraquinonas en diferentes cultivos vegetales in vitro de Rubia tinctorum se presenta como un modelo sencillo y versátil para introducir a los estudiantes de postgrado en la producción de metabolitos secundarios vegetales. Los estudiantes pudieron analizar la cinética de formación de biomasa y productos en cultivos en batch de suspensiones y raíces transformadas, evaluando el efecto de la elicitación con metiljasmonato, una estrategia muy conocida utilizada para inducir la producción de metabolitos secundarios en cultivos de células vegetales. Además, se evaluó el efecto de la remoción in situ del producto, ampliamente utilizada en biocatálisis y fermentaciones microbianas. El resultado de las autoevaluaciones reveló que el trabajo en el laboratorio y el subsiguiente análisis de resultados favorecieron la consolidación de conceptos teóricos adquiridos durante los seminarios. En resumen, se presenta un trabajo de laboratorio económico, accesible y robusto, aplicable a estudiantes de cursos de postgrado en diferentes programas de biotecnología vegetal, química e ingeniería bioquímica. Palabras clave: trabajo de laboratorio, aprendizaje práctico, producción de metabolitos secundarios, cultivo de células vegetales, remoción in situ de producto.

Plant cell culture bioprocesses constitute an excellent tool for the formation of undergraduate, magister, and Ph.D. students. In fact, students can acquire experience in the field of plant biochemistry and molecular biology; plant primary and secondary metabolism; and biochemical engineering. In the present manuscript, the production of anthraquinones in different plant cell tissue cultures is showed as easy and versatile model to introduce magister students in the field of plant secondary metabolite production. AQs are extracted with ethanol 80% and spectrophotometrically quantified, which also makes it environmentally friendly and easy to manipulate in the laboratory. The students were able to analyse biomass and product formation kinetics in batch suspension and hairy root cultures and evaluate the effect of MeJa elicitation an extended used strategy to trigger secondary metabolite production in plant cell cultures. Moreover, the performance of in situ product removal, which has been extensively used in biocatalyst and microbial fermentations, was evaluated. In summary, an inexpensive, accessible, and robust laboratory work is presented that can be adapted to undergraduate, magister, and/or Ph.D. students´ courses in different plant biology, chemistry, and biochemical engineering programs.