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Sep 16, 2023

Biosintesi dei mogrosidi eterologhi nel cetriolo e nel pomodoro mediante manipolazione genetica

Communications Biology volume

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 191 (2023) Citare questo articolo

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I mogrosidi sono ampiamente utilizzati come dolcificanti naturali a zero calorie di alto valore che esibiscono una serie di attività biologiche e consentono la produzione di aromi vegetali mediante la moderna biotecnologia molecolare. In questo studio, abbiamo sviluppato una strategia di impilamento genico basata su infusione per l'impilamento di transgeni e un vettore multigenico che ospita 6 geni di biosintesi dei mogrosidi e lo abbiamo trasformato in Cucumis sativus e Lycopersicon esculentum. Qui mostriamo che il cetriolo transgenico può produrre mogroside V e siamenoside I a 587 ng/g FW e 113 ng/g FW, rispettivamente, e il pomodoro transgenico coltivato con mogroside III. Questo studio fornisce una strategia per il miglioramento del sapore delle verdure, aprendo la strada alla biosintesi eterologa dei mogrosidi.

La preferenza per il sapore del cibo pervade l’intera storia evolutiva degli esseri umani, e questa preferenza è stata occasionalmente superiore ai requisiti nutrizionali umani. I sapori hanno svolto un ruolo fondamentale nelle preferenze alimentari e la bontà offre un senso di piacere, che ha importanti implicazioni per migliorare l’appetito, la digestione e aumentare il tasso di utilizzo dei nutrienti1. Inoltre, gli esseri umani hanno già iniziato a migliorare i sapori di frutta e verdura, il che alla fine ha portato a orientare la spesa alimentare e a migliorare la salute umana2. Nell’ultimo mezzo secolo, l’obiettivo della selezione di un’elevata produttività delle colture ha causato indirettamente una riduzione del sapore e dei nutrienti3. A causa del collegamento genetico, i tratti qualitativi sembrano essere correlati negativamente alla resa, mentre il sapore desiderabile, l'elevata resa e l'alta qualità sono tratti complessi controllati da più geni4. In generale, quindi, la selezione delle piante per il miglioramento del sapore rimane una sfida importante sulla base dell'elevata resa e della buona qualità. Dal 1983, importanti progressi nella biotecnologia transgenica hanno consentito di rendere più semplice e fattibile la selezione per migliorare il sapore e la qualità nutrizionale5. Come è stato dimostrato in precedenza, nelle moderne cultivar di pomodoro commerciali vi è un'evidente assenza di sostanze volatili associate al sapore. Di conseguenza, gli scienziati hanno modificato le piante di pomodoro in modo tale che i frutti presentino un sapore di limone e un aroma di rosa attraverso l'espressione di Ocimum basilicum geraniolo sintasi6. Inoltre, è stato ampiamente riconosciuto che TomLoxC influenza il sapore del frutto del pomodoro catalizzando la biosintesi volatile C5 e C6 derivata dai lipidi7. Inoltre, ricerche precedenti avevano indicato che la trasformazione del gene VpVAN che regola la biosintesi della vanillina ha cambiato il sapore unico del pepe8. Ovviamente, la selezione vegetale che coinvolge transgeni omologhi o eterologhi associati al sapore è diventata un argomento di ricerca popolare che probabilmente continuerà in futuro.

La preferenza per la dolcezza è una sorta di istinto umano e la dolcezza è stata descritta come un piacere edonico fondamentale9. I cibi dolci contenenti zucchero come ingrediente essenziale hanno aumentato notevolmente l’obesità, il diabete e le malattie cardiovascolari in tutte le fasce d’età in tutto il mondo10; pertanto, è necessario esplorare i dolcificanti senza zucchero da utilizzare nella dieta quotidiana. Allo stesso modo, gli scienziati hanno trasformato le proteine ​​dal sapore dolce in cetriolo11, pomodoro12,13, fragola14, pera15 e lattuga13,16 per la selezione di colture dal sapore dolce. Tuttavia, le proteine ​​dolci erano comunemente limitate dal prezzo elevato, dall’offerta insufficiente, dal gusto scadente e dalla breve durata di conservazione e stabilità17. Nel 1983, il mogroside V, un dolcificante non zuccherino isolato dal frutto unico della Siraitia grosvenorii (Cucurbitaceae; Luo-han-guo o frutto del monaco), è stato scoperto in Cina18,19,20 ed è stato approvato dalla FDA nel 2010. In genere, i mogrosidi sono suddivisi in diversi componenti dolci, come mogroside III, siamenoside I e mogroside V. La dolcezza dei mogrosidi differisce a seconda del numero di glicosilazione e dei siti di glicosilazione21. Il grande vantaggio del mogroside V è il suo sapore superbo rispetto a quello degli steviosidi, del rubusoside e della glicirrizina, che normalmente hanno un sapore leggermente amaro e dolce22,23. È interessante notare che questo dolcificante naturale con effetti antiglicazione24 ha un'elevata dolcezza, ha un basso contenuto calorico e non è tossico; la sua dolcezza è circa 300 volte superiore a quella del saccarosio25,26; e la sua storia di uso medicinale è superiore a 300 anni27. I mogrosides sono stati approvati e utilizzati da tutti i tipi di marchi riconosciuti in patria e all'estero e sono stati applicati in oltre 4.300 prodotti in tutto il mondo entro la fine di settembre 2019. In Cina, i mogrosides sono considerati una sorta di dolcificante sicuro, non tossico e naturale, ampiamente utilizzato nell'industria alimentare, delle bevande e farmaceutica e con un grande potenziale commerciale in tutto il mondo27. Nel 2011, il nostro gruppo ha studiato il percorso di biosintesi del mogroside V e sono stati clonati per la prima volta 40 geni chiave che codificano gli enzimi, che hanno fornito geni donatori per la selezione delle colture per il miglioramento del sapore dolce. Secondo la letteratura, il precursore della biosintesi del mogroside V, il 2,3-ossidosqualene, è ampiamente presente nelle piante29 (Figura complementare S1). Pertanto, è di vitale importanza che vari geni del mogroside V sintasi vengano trasformati in piante candidate per lo sviluppo di piante dolci, e queste piante transgeniche possano anche essere utilizzate come materiali promettenti per la produzione di mogroside V.