Phytochemical valorization of

Abstract

In this thesis project, the in vitro culture of three medicinal species belonging to Bryophyllum subgenus (genus Kalanchoe, Crassulaceae) will be established. Bryophyllum species present a highly valuable phytochemical interest (Bryophyllum daigremontianum, Bryophyllum tubiflorum and Bryophyllum x houghtonii), as a consequence of their use in traditional medicine, across Africa, South America and Asia. The bioactive properties linked to Bryophyllum, i.e.: antioxidant, cytotoxic and antineoplastic activities, have been attributed to several compounds, as a result of secondary metabolite biosythesis, as it is the case of phenolic compounds and bufadienolides. In order to study such properties, the establishment of in vitro culture is a crucial step for the application of biotechnological strategies on Bryophyllum. Nutritional stress will be applied to in vitro-cultured individuals, thus increasing their secondary metabolism rate and, consequently, getting a high amount of plant with an increased phenolic production. Furthermore, the Bryophyllum cell culture will be carried out, by the establishment of callus and cell suspension cultures, with the aim of enabling the use of Bryophyllum cultures as a biotechnological tool for the mass production of phenolic compounds, thanks to the process of elicitation, which constitutes an efficient strategy for the induction of secondary metabolism, by the use of elicitors, such as jasmonates. The phenolic compounds found in Bryophyllum extracts will be later identified by liquid chromatography coupled to mass spectrometry and their efficiency and distribution as antioxidant agents, will be analyzed through oil-water biphasic systems. These findings will reveal an approximation of their real distribution within biological systems, as they are highly compartmentalized. Finally, all studied processes will be modelled, based on the application of artifical intelligence techniques, associated to neurofuzzy logic through artificial neural networks, with the purpose of achieving the optimum parameters and conditions that take place across all the process of studying the biotechnological potential associated to Bryophyllum.

En este proyecto de tesis se establecerá el cultivo in vitro de tres especies del subgénero Bryophyllum (género Kalanchoe, Crassulaceae) con gran interés fitoquímico (Bryophyllum daigremontianum, Bryophyllum tubiflorum y Bryophyllum x houghtonii), consecuencia del uso de estas especies en la medicina tradicional africana, sudamericana y asiática. Las propiedades bioactivas asociadas a este género, entre las que se encuentran las actividades antioxidante, citotóxica y antineoplásica, se atribuyen a diferentes compuestos derivados de su metabolismo secundario, como son los fenoles y los bufadienólidos. Para llevar a cabo el estudio de dichas propiedades, el establecimiento del cultivo in vitro es una etapa fundamental a la hora de aplicar estrategias biotecnológicas en Bryophyllum. Los individuos cultivados in vitro serán sometidos a un estrés nutricional con el fin de incrementar la tasa de metabolismo secundario y, de esta manera, conseguir plantas con una producción elevada de compuestos fenólicos. Además, se realizará el cultivo celular de Bryophyllum, a través del cultivo de callos y suspensiones celulares con la finalidad de utilizar éstos como herramienta biotecnológica para la producción en masa de fenoles, gracias a la posibilidad de inducir un estímulo en su metabolismo secundario en respuesta a diferentes inductores, como los jasmonatos. Los compuestos fenólicos serán indentificados posteriormente mediante cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas y su eficacia y distribución como agentes antioxidantes se analizará a través de la aplicación de sistemas bifásicos aceite-agua, dando una aproximación al comportamiento esperado de estos compuestos en los sistemas biológicos, altamente compartimentalizados. Todos los procesos estudiados serán modelizados en base a técnicas de inteligencia artificial que aplican la lógica difusa a través de redes neuronales artificiales, con el fin de obtener las condiciones y parámetros óptimos que tienen lugar a lo largo del estudio del potencial biotecnológico asociado a estas especies.

Neste proxecto de tese se establecerá o cultivo in vitro de tres especies do subxénero Bryophyllum (xénero Kalanchoe, Crassulaceae) con gran interese fitoquímico (Bryophyllum daigremontianum, Bryophyllum tubiflorum e Bryophyllum x houghtonii), consecuencia do uso destas especies na medicina tradicional africana, sudamericana e asiática. As propiedades bioactivas asociadas a este xénero, entre as que se atopan as actividades antioxidante, citotóxica e antineoplásica, son atribuidas ós diferentes compostos derivados do seu metabolismo secundario, como son os fenóis y os bufadienólidos. Para realizar o estudo de ditas propiedades, o establecemento do cultivo in vitro é unha etapa fundamental na aplicación de diferentes estratexias biotecnolóxicas en Bryophyllum. Os individuos cultivados in vitro serán sometidos a un estrés nutricional co fin de incrementar a tasa de metabolismo secundario e, desta maneira, conseguir plantas con unha produción elevada de compostos fenólicos. Ademais, realizaráse o cultivo celular de Bryophyllum, a través do cultivo de calos e suspensións celulares coa finalidade de utilizar estes como ferramenta biotecnolóxica para a produción en masa de fenoles, grazas á posibilidade de inducir un estímulo no seu metabolismo secundario en resposta a diferentes inductores, como os xasmonatos. Os compostos fenólicos serán posteriormente identificados mediante cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas e a súa eficacia e distribución como axentes antioxidantes analizaráse a través da aplicación de sistemas bifásicos aceite-auga, dándose unha aproximación ó comportamento esperado destes compostos nos sistemas biolóxicos, altamente compartimentalizados. Todos os procesos estudiados serán modelizados en base a técnicas de intelixencia artificial, que aplican a lóxica difusa có obxectivo de obter as condicións e parámetros óptimos que teñen lugar ó largo do estudo do potencial biotecnolóxico asociado a estas especies.