Phytochemical valorization of bryophyllum spp. Medicinal plants combining biotechnological and machine learning tools

• Autores: Pascual García Pérez
• Directores de la Tesis: Pedro Pablo Gallego Veigas (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidade de Vigo ( España ) en 2021
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: María Ángeles Pedreño García (presid.), Javier Palazón Barandela (secret.), Laura De Gara (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biotecnología Avanzada por la Universidad de A Coruña y la Universidad de Vigo
• Materias:
  • Matemáticas
    • Ciencia de los ordenadores
      • Inteligencia artificial
  • Ciencias de la vida
    • Biología vegetal (botánica)
      • Fisiología vegetal
  • Ciencias médicas
    • Farmacología
      • Fitofármacos
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Investigo
• Resumen
  • español

    En esta Tesis Doctoral se estableció el cultivo in vitro de tres especies del subgénero Bryophyllum sp. (género Kalanchoe sp., Crassulaceae) ampliamente utilizadas en la medicina tradicional de África, Asia y Sudamérica (Bryophyllum daigremontianum, Bryophyllum tubiflorum y Bryophyllum x houghtonii), como eje central para su caracterización fitoquímica. Para identificar los factores críticos que afectan a procesos clave del establecimiento del cultivo in vitro, como la nutrición mineral y la organogénesis, se recurrió a la aplicación de herramientas de aprendizaje automático. Una vez establecido el cultivo in vitro de planta completa, se determinó la producción de compuestos fenólicos, obteniéndose la mayor concentración de estos compuestos en las partes aéreas de B. x houghtonii. Asimismo, la identificación de compuestos mostró que los extractos de briofilum se consideran una fuente importante de flavonoides, específicamente flavonoles, como los glucósidos de miricetina, y antocianinas, como los glucósidos de malvidina. Adicionalmente, se demostró que los compuestos fenólicos presentes en briofilum son responsables de las propiedades terapéuticas asociadas a estas especies, actuando como agentes antimicrobianos, citotóxicos, antiinflamatorios y antimicrobianos. Asimismo, se obtuvieron suspensiones celulares, que pueden ser utilizadas como sistema biofactoría de compuestos bioactivos a nivel biotecnológico. Así, se recurrió a la elicitación con jasmonato de metilo y ácido salicílico como estrategia para estimular el metabolismo secundario de los cultivos en suspensión, favoreciendo la acumulación de compuestos bioactivos. Para determinar el potencial biosintético de las suspensiones celulares de briofilum elicitadas, se recurrió a la aplicación de la metabolómica no dirigida, siendo una tecnología ampliamente utilizada para determinar el patrón metabólico asociado a la elicitación. Como resultado, por primera vez en briofilum, se identificaron nuevas familias de compuestos bioactivos, incluyendo glucosinolatos, alcaloides y terpenoides. Finalmente, los extractos de briofilum fueron aplicados en matrices alimentarias, como las emulsiones de aceite de pescado rico en omega-3. De acuerdo a los resultados y, debido a su alta concentración de compuestos fenólicos, los extractos de B. x houghtonii pueden ser considerados como conservantes de origen vegetal para preservar la integridad de los ácidos grasos omega-3. En general, combinando herramientas de cultivo in vitro vegetal, aprendizaje automático y metabolómica, se logró la caracterización fitoquímica de plantas medicinales de briofilum pobremente estudiadas, favoreciendo así su explotación a gran escala en diferentes sectores industriales, como el farmacológico, cosmecéutico y alimentario.

  • English

    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.