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Publicação
Towards sustainable production of astaxanthin and canthaxanthin in Nicotiana tabacum BY-2 cell cultures
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The rising demand for biologically produced carotenoids, particularly ketocarotenoids such as astaxanthin and canthaxanthin, underscores the need for sustainable systems capable of overcoming the limitations of conventional chemical synthesis or microalgae cultivation. This challenge has the potential to be addressed through molecular farming, where plant cell suspension cultures represent innovative, yet still underexploited platforms for ketocarotenoid production.
This master's dissertation investigated the potential of Nicotiana tabacum BY-2 cell suspension cultures as scalable biofactories for ketocarotenoid biosynthesis. The work integrated three complementary approaches: (i) in silico promoter analysis and light modulation assays to evaluate how spectral quality influences the regulation of carotenoid biosynthetic genes; (ii) scale-up of cultures from Erlenmeyer flasks to stirred-tank bioreactors, accompanied by a life cycle assessment aimed at evaluating the balance between productivity and financial and environmental costs; and (iii) transcriptomic profiling of samples collected at two temporally distant time points, to monitor variations in the expression of endogenous and transgenic genes.
The results showed that light quality significantly influenced carotenoid accumulation, while stress induced in the bioreactor increased ketocarotenoid yields by up to fivefold compared with cultures grown in Erlenmeyer flasks. However, these gains entailed higher energy consumption, underscoring the need for more efficient engineering strategies in the future. Transcriptomic data further indicated that prolonged subculturing triggered changes in gene expression, probably associated with epigenetic reprogramming, revealing challenges in maintaining stable production lines over time.
Taken as a whole, this work confirms the potential of genetically modified BY-2 cultures as sustainable platforms for the production of high-value ketocarotenoids, while identifying critical points in process optimization and genetic stability. More than a proof of concept, this work provides a roadmap for the integration of molecular design, bioprocess engineering, and environmental sustainability in plant-based systems.
A crescente procura por carotenoides de origem biológica, em particular de cetocarotenoides como a astaxantina e a cantaxantina, evidencia a necessidade de sistemas sustentáveis capazes de ultrapassar as limitações da síntese química convencional e da produção em microalgas. Este desafio pode ser encarado pelo "molecular farming", onde culturas de células de plantas em suspensão representam plataformas inovadoras, embora ainda subexploradas, para a produção de cetocarotenoides. Esta dissertação de mestrado investigou o potencial de culturas celulares em suspensão de Nicotiana tabacum BY-2 como biofábricas escaláveis para a biossíntese de cetocarotenoides. O trabalho integrou três abordagens complementares: (i) análise in silico de promotores e ensaios de modulação da luz, para avaliar de que forma a qualidade espectral influencia a regulação dos genes biossintéticos dos carotenoides; (ii) escalonamento das culturas, de frascos Erlenmeyer para biorreatores de tanque agitado, acompanhado por uma análise do ciclo de vida destinada a avaliar o equilíbrio entre a produtividade e os custos financeiros e ambientais; e (iii) análise de perfis transcriptómicos de amostras recolhidas em dois momentos temporalmente distantes, para acompanhar variações na expressão de genes endógenos e transgénicos. Os resultados mostraram que a qualidade da luz influenciou significativamente a acumulação de carotenoides, enquanto o stress induzido no biorreator aumentou os rendimentos de cetocarotenoides até cinco vezes em comparação com as culturas em Erlenmeyer. Contudo, estes ganhos implicaram um maior consumo energético, salientando a necessidade de estratégias de engenharia mais eficientes no futuro. Os dados transcriptómicos indicaram ainda que o subcultivo prolongado desencadeou alterações na expressão genética, provavelmente associadas a fenómenos de reprogramação epigenética, revelando desafios na manutenção de linhas de produção estáveis ao longo do tempo. No seu conjunto, este trabalho confirma o potencial das culturas BY-2 geneticamente modificadas como plataformas sustentáveis para a produção de cetocarotenoides de elevado valor, enquanto identifica pontos críticos na otimização de processos e na estabilidade genética. Mais do que uma prova de conceito, este trabalho fornece um roteiro para a integração entre design molecular, engenharia de bioprocessos e sustentabilidade ambiental em sistemas baseados em plantas.
A crescente procura por carotenoides de origem biológica, em particular de cetocarotenoides como a astaxantina e a cantaxantina, evidencia a necessidade de sistemas sustentáveis capazes de ultrapassar as limitações da síntese química convencional e da produção em microalgas. Este desafio pode ser encarado pelo "molecular farming", onde culturas de células de plantas em suspensão representam plataformas inovadoras, embora ainda subexploradas, para a produção de cetocarotenoides. Esta dissertação de mestrado investigou o potencial de culturas celulares em suspensão de Nicotiana tabacum BY-2 como biofábricas escaláveis para a biossíntese de cetocarotenoides. O trabalho integrou três abordagens complementares: (i) análise in silico de promotores e ensaios de modulação da luz, para avaliar de que forma a qualidade espectral influencia a regulação dos genes biossintéticos dos carotenoides; (ii) escalonamento das culturas, de frascos Erlenmeyer para biorreatores de tanque agitado, acompanhado por uma análise do ciclo de vida destinada a avaliar o equilíbrio entre a produtividade e os custos financeiros e ambientais; e (iii) análise de perfis transcriptómicos de amostras recolhidas em dois momentos temporalmente distantes, para acompanhar variações na expressão de genes endógenos e transgénicos. Os resultados mostraram que a qualidade da luz influenciou significativamente a acumulação de carotenoides, enquanto o stress induzido no biorreator aumentou os rendimentos de cetocarotenoides até cinco vezes em comparação com as culturas em Erlenmeyer. Contudo, estes ganhos implicaram um maior consumo energético, salientando a necessidade de estratégias de engenharia mais eficientes no futuro. Os dados transcriptómicos indicaram ainda que o subcultivo prolongado desencadeou alterações na expressão genética, provavelmente associadas a fenómenos de reprogramação epigenética, revelando desafios na manutenção de linhas de produção estáveis ao longo do tempo. No seu conjunto, este trabalho confirma o potencial das culturas BY-2 geneticamente modificadas como plataformas sustentáveis para a produção de cetocarotenoides de elevado valor, enquanto identifica pontos críticos na otimização de processos e na estabilidade genética. Mais do que uma prova de conceito, este trabalho fornece um roteiro para a integração entre design molecular, engenharia de bioprocessos e sustentabilidade ambiental em sistemas baseados em plantas.
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Palavras-chave
plant cell suspension cultures Nicotiana tabacum BY-2 ketocarotenoids astaxanthin canthaxanthin light regulation