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May 30, 2023

Biossíntese de mogrosídeos heterólogos em pepino e tomate por manipulação genética

Volume de Biologia da Comunicação

Biologia da Comunicação volume 6, Número do artigo: 191 (2023) Citar este artigo

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Os mogrosídeos são amplamente utilizados como adoçantes naturais de alto valor e zero caloria que exibem uma série de atividades biológicas e permitem a criação de sabores vegetais por biotecnologia molecular moderna. Neste estudo, desenvolvemos uma estratégia de empilhamento de genes baseada em fusão para empilhamento de transgenes e um vetor multigênico contendo 6 genes de biossíntese de mogrosídeos e o transformamos em Cucumis sativus e Lycopersicon esculentum. Aqui mostramos que o pepino transgênico pode produzir mogrosídeo V e siamenosídeo I a 587 ng/g FW e 113 ng/g FW, respectivamente, e tomate transgênico cultivado com mogrosídeo III. Este estudo fornece uma estratégia para melhorar o sabor vegetal, abrindo caminho para a biossíntese heteróloga de mogrosídeos.

A preferência pelo sabor dos alimentos permeia toda a história evolutiva dos seres humanos, e essa preferência ocasionalmente foi maior do que as necessidades nutricionais humanas. Os sabores têm desempenhado um papel fundamental na preferência alimentar, e o sabor proporciona uma sensação de prazer, o que tem implicações importantes para melhorar o apetite, a digestão e aumentar a taxa de utilização de nutrientes1. Além disso, os humanos já começaram a melhorar os sabores de vegetais e frutas, o que acabou levando à orientação do gasto alimentar e à melhoria da saúde humana2. Ao longo do último meio século, o objetivo de melhoramento de alta produtividade agrícola causou indiretamente uma redução no sabor e nutrientes3. Devido à ligação genética, as características de qualidade parecem estar negativamente relacionadas ao rendimento, e o sabor desejável, alto rendimento e alta qualidade são características complexas controladas por múltiplos genes4. Em geral, portanto, o melhoramento de plantas para melhorar o sabor continua sendo um grande desafio com base no alto rendimento e na boa qualidade. Desde 1983, grandes avanços na biotecnologia transgênica permitiram que o melhoramento do sabor e da qualidade nutricional fosse mais simplificado e viável5. Como foi mostrado anteriormente, há uma ausência óbvia de voláteis associados ao sabor em cultivares comerciais modernas de tomate. Consequentemente, os cientistas modificaram as plantas de tomate para que os frutos apresentem um sabor de limão e um aroma de rosa por meio da expressão da Ocimum basilicum geraniol sintase6. Além disso, o TomLoxC tem sido amplamente reconhecido por afetar o sabor do tomate por catalisar a biossíntese de voláteis C5 e C6 derivados de lipídeos7. Além disso, pesquisas anteriores indicaram que a transformação do gene VpVAN que regula a biossíntese da vanilina mudou o sabor único da pimenta8. Obviamente, o melhoramento de plantas envolvendo transgenes homólogos ou heterólogos associados ao sabor tornou-se um tópico de pesquisa popular que provavelmente continuará no futuro.

A preferência pela doçura é uma espécie de instinto humano, e a doçura tem sido descrita como um prazer hedônico fundamental9. Alimentos doces com açúcar como ingrediente essencial aumentaram acentuadamente a obesidade, diabetes e doenças cardiovasculares em todas as faixas etárias em todo o mundo10; assim, é necessário explorar adoçantes sem açúcar para uso em dietas diárias. Da mesma forma, os cientistas transformaram proteínas de sabor doce em pepino11, tomate12,13, morango14, pêra15 e alface13,16 para cultivo de culturas de sabor doce. No entanto, as proteínas doces eram comumente limitadas pelo alto preço, oferta insuficiente, sabor ruim e vida útil e estabilidade curtas17. Em 1983, o mogrosídeo V, um adoçante sem açúcar isolado da única fruta Siraitia grosvenorii (Cucurbitaceae; Luo-han-guo ou fruta do monge), foi descoberto na China18,19,20 e foi aprovado pela FDA em 2010. Normalmente, os mogrosídeos são divididos em vários componentes doces, como mogrosídeo III, siamenosídeo I e mogrosídeo V. A doçura dos mogrosídeos difere dependendo do número de locais de glicosilação e glicosilação21. A grande vantagem do mogrosídeo V é seu excelente sabor em comparação com os esteviosídeos, rubusosídeos e glicirrizinas, que normalmente apresentam sabor levemente amargo e doce22,23. Curiosamente, este adoçante natural com efeitos antiglicação24 tem alta doçura, baixo teor calórico e é atóxico; sua doçura é aproximadamente 300 vezes maior que a da sacarose25,26; e seu histórico de uso medicinal é >300 anos27. Os mogrosídeos foram aprovados e usados ​​por todos os tipos de marcas reconhecidas no país e no exterior, e foram aplicados em mais de 4.300 produtos em todo o mundo até o final de setembro de 2019. Na China, os mogrosídeos são considerados uma espécie de adoçante seguro, não tóxico e natural, amplamente utilizado nas indústrias alimentícia, de bebidas e farmacêutica e com grande potencial comercial em todo o mundo27. Em 2011, nosso grupo investigou a via de biossíntese do mogrosídeo V, e 40 genes-chave codificadores de enzimas foram clonados pela primeira vez28, o que forneceu genes doadores para melhoramento de culturas para melhoria do sabor doce. De acordo com a literatura, o precursor da biossíntese do mogrosídeo V, 2,3-oxidosqualeno, é amplamente encontrado em plantas29 (Fig. complementar S1). Portanto, é de vital importância que vários genes de mogrosídeo V sintase sejam transformados em plantas candidatas para desenvolver plantas doces, e essas plantas transgênicas também podem ser usadas como materiais promissores para a produção de mogrosídeo V.