ARTÍCULO DE PORTADA
El futuro de la obtención de compuestos vegetales
Alejandra Hernández-García y Rafael Salgado-Garciglia
Resumen
El cultivo in vitro de células, brotes y plántulas es una herramienta biotecnológica para la producción de metabolitos secundarios. Con esta técnica se obtiene la síntesis de compuestos bioactivos de alto valor, como alcaloides, terpenos y fenoles, de manera sostenible y sin depender de las condiciones ambientales o de la recolección masiva de plantas silvestres. Se aplican diversas estrategias para optimizar la producción, como el mejoramiento genético y la toma en cuenta de los factores bióticos y abióticos a los que se enfrentan las plantas, como el uso de elicitores para estimular las rutas metabólicas, la modificación de parámetros de crecimiento como nutrientes, pH, luz y temperatura. Estos compuestos pueden aplicarse en las industrias farmacéutica, alimentaria y cosmética.
Palabras clave: Compuestos vegetales, cultivos celulares, sobreproducción.
RECIBIDO: 05/02/2025; ACEPTADO: 18/07/2025;
PUBLICADO: 27/febrero/2026
Hoy en día, las noticias del cambio climático y del cambio de uso de suelo —por el crecimiento de las ciudades, para la generación de alimentos y de productos para nuestro consumo— nos indican que son los principales factores que llevan a la desaparición de varias especies vegetales, o al menos, a la disminución de sus poblaciones. Además, actualmente existe la sobreexplotación de muchas plantas, fuente de compuestos que son denominados metabolitos secundarios, los cuales son utilizados por diversas industrias como aromatizantes, saborizantes, colorantes, agroquímicos y para la fabricación de medicamentos, o simplemente los usamos cotidianamente en casa, por ejemplo, cuando hacemos una infusión o un ungüento.
Aunque las plantas que nos proporcionan estos compuestos con fines alimentarios, medicinales o industriales son cultivadas, como las frutas, verduras, granos y plantas medicinales comunes, una parte significativa de ellos se sigue obteniendo de plantas silvestres o de la recolección en la naturaleza, lo cual no asegura el abastecimiento regional y mucho menos el nacional. Además, muchas de estas plantas presentan un desarrollo anual por pocos meses, ya que después de florecer, mueren. Aunado a ello, existen factores muy importantes relacionados con la síntesis de los metabolitos secundarios, debido a que su cantidad depende del clima (temperatura, humedad, cantidad e intensidad de luz solar), del suelo (agua, nutrientes, pH, sequía, salinidad, etc.), de la altitud y latitud, así como de la interacción con otros organismos, ya sean benéficos o patógenos.
Factores que modulan la síntesis de compuestos vegetales
Es bien sabido que el contenido de metabolitos secundarios no es igual en plantas de menta cultivadas en pleno sol que en sombra, puesto que hay diferencias no solo en la cantidad, sino en la composición de sus compuestos aromáticos como el mentol. Con este ejemplo, es claro que la intensidad y la calidad de la luz son factores cruciales que influyen en la biosíntesis de los metabolitos secundarios en las plantas, incluidos los que componen principalmente a los aceites esenciales, como los terpenos y los fenólicos.
Así, podemos mencionarte distintos ejemplos en los que se han reportado diferencias en la cantidad y en la composición de este tipo de compuestos, en plantas que se cultivan a nivel del mar o en altitudes como la de la Ciudad de México, o que se cultivan en nuestro país o en otro lugar del mundo, o en suelos semiáridos o en un bosque tropical.
La producción y la composición varían también durante el año, ya sea por las estaciones o por la fenología de las plantas; la mayoría de ellas producen más cuando están en etapa reproductiva (floración), aunque hay excepciones como el té verde (Camellia sinensis) que acumula un mayor contenido de metabolitos secundarios cuando la planta permanece en estado vegetativo (sin florecer). A estos factores se les conoce como abióticos, porque se refieren a cualquier componente no vivo, físico o químico, del entorno que afecta la vida, el crecimiento, el desarrollo y la supervivencia de la planta.
Otro factor que influye en la síntesis de estos metabolitos es la interacción que existe entre las plantas y los organismos patógenos, ya que esta ocurre como un mecanismo de defensa para protegerse de herbívoros, insectos, bacterias y hongos, repeliendo, inhibiendo su crecimiento o matándolos. Este factor es conocido como biótico, con el cual las plantas pueden sintetizar los metabolitos de defensa en forma constante (constitutiva) o solo cuando estas se ven atacadas (inducible).
¿Qué metabolitos secundarios producen las plantas?
Los metabolitos secundarios que producen las plantas se agrupan de forma general en terpenos, fenólicos y alcaloides, que en conjunto podrían ser cientos de miles de compuestos. Estos se sintetizan mediante tres vías metabólicas, las cuales pueden entrecruzarse entre sí, permitiendo que las plantas produzcan estos miles de compuestos y lo cual dependerá de la familia vegetal, del género e incluso de una especie.
Algunos ejemplos de este tipo de metabolitos son el paclitaxel (Taxol®), agente anticanceroso que se asocia casi exclusivamente con el género Taxus, particularmente de la corteza del Tejo del Pacífico (Taxus brevifolia); otro es el esteviósido, responsable del sabor dulce de las hojas de estevia (Stevia rebaudiana), que puede ser producido por plantas relacionadas, aunque son de otro tipo de glucósidos de esteviol; y, están también la morfina y lo cannabinoides, el primero casi exclusivo del opio (Papaver somniferum) y los últimos característicos de la planta de cannabis (Cannabis sativa), aunque se han reportado trazas o compuestos relacionados en otras plantas.
Función de los metabolitos secundarios en las plantas y su uso
Ya hemos visto que los metabolitos secundarios vegetales tienen gran importancia por las complejas interacciones ecológicas entre las plantas y su entorno, frente a los factores bióticos y abióticos que naturalmente ocurren, y por las propiedades biológicas activas que nos brindan a los humanos. Algunos metabolitos secundarios son amargos, astringentes, repulsivos o tóxicos para sus patógenos herbívoros; otros presentan actividad antimicrobiana contra bacterias y hongos, antiviral y nematicida; muchos protegen a las plantas del daño de la radiación ultravioleta y ayudan a mitigar los efectos de temperaturas extremas, salinidad y sequía, actuando como antioxidantes para neutralizar radicales libres o regulando la presión osmótica; no debemos de dejar de mencionar a los metabolitos secundarios que tienen la función de atraer polinizadores, como los pigmentos de las flores y los compuestos volátiles, que atraen a insectos y otros animales para la polinización, lo cual es crucial para la reproducción de las plantas; también para asegurar la dispersión de semillas; para participar en la comunicación con otras plantas o con microorganismos del suelo (simbiosis); para competir, inhibiendo el crecimiento de plantas cercanas; y también, para atraer a depredadores o parasitoides que atacan al herbívoro que las está dañando (defensa indirecta).
Los metabolitos secundarios vegetales tienen una infinidad de usos, muchos de los cuales han sido documentados desde hace milenios por la utilización de las plantas en la medicina tradicional de los pueblos del mundo, y por el conocimiento actual que tenemos por su función en las plantas, principalmente la de actuar como antioxidantes. El uso más conocido es en la medicina y en la farmacología, ya que, en los últimos 75 años, importantes medicamentos eficaces provienen o se basan en metabolitos secundarios de plantas, con propiedad analgésica y sedante (morfina), supresores de la tos (codeína), anticancerosos (paclitaxel, vinblastina y vincristina), antimaláricos (quinina y artemisinina), cardiotónicos (digoxina), hepatoprotector (silibinina) y antiinflamatorios (curcumina), entre otros.
Algunos metabolitos secundarios son utilizados en la agricultura, sobre todo aquellos que funcionan en la defensa vegetal, por su actividad insecticida (piretrinas, rotenona y azadiractina), herbicida y como bioestimulantes. En la industria alimentaria y de bebidas, se utilizan compuestos como saborizantes (vainilla y capsaicina) o por su aroma (mentol, eugenol, gingerol, entre otros), como colorantes (antocianinas y carotenoides), edulcorantes (esteviósido) y como conservantes y antioxidantes que prolongan la vida útil de los alimentos (ácidos fenólicos y polifenoles). También se usan en la cosmética y perfumería, debido a que diversos extractos de plantas contienen metabolitos secundarios requeridos para la elaboración de productos de belleza y fragancias, como los aceites esenciales (terpenos), compuestos antienvejecimiento, como protectores solares y calmantes para la piel (flavonoides y polifenoles).
Los pigmentos y las fibras de origen vegetal históricamente se han utilizado en las industrias textiles y de tintes, como el índigo (Indigofera tinctoria) que proporciona el color azul, la curcumina (Curcuma longa) usada como colorante amarillo, y la henna (Lawsonia inermis) para tonos rojizos.
Con técnicas modernas, ¿cómo lograr el abastecimiento de estos compuestos?
En la actualidad, con investigaciones que involucran técnicas modernas, se siguen explorando nuevas aplicaciones de los metabolitos secundarios, desde la bioprospección en plantas no estudiadas hasta la ingeniería metabólica para producir estos compuestos de manera más sostenible y eficiente. Con la química verde y la biotecnología, en este siglo se vislumbran avances en la producción de compuestos vegetales, sin requerir del cultivo tradicional de plantas ni de la recolecta de plantas silvestres, ampliamente explotadas; nos referimos al cultivo de tejidos vegetales.
Cultivo de tejidos vegetales, una breve historia
El cultivo de tejidos vegetales, o cultivos in vitro de plantas, es una herramienta de la biotecnología vegetal moderna que, aunque inició a principios del siglo XX, se desarrolló hasta la década de 1960. Esta se basa en el cultivo de partes de la planta (hojas, tallos, yemas, semillas o embriones cigóticos) en condiciones óptimas de luz y temperatura, y en medios ricos en nutrientes y preparados en frascos que les permiten desarrollarse en condiciones asépticas, libres de microorganismos.
Sus principales aplicaciones son la micropropagación, con la que se producen miles de plantas en poco espacio y tiempo (clonación vegetal); la conservación in vitro, con la cual se mantienen bancos de germoplasma en condiciones de cultivo que reducen el crecimiento de los tejidos vegetales; y el mejoramiento genético, que mediante la selección de variante o mutantes, con la transformación genética o con las novedosas técnicas de edición genética (CRISPR-Cas9), se obtienen plantas con características únicas.
Pero pocos saben que, con esta herramienta, es posible el cultivo de células (suspensiones celulares y callos), de tejidos u órganos (brotes y raíces) y de plántulas para estudiar la producción in vitro de metabolitos secundarios. Desde la década de 1960, se confirmó que en estos cultivos se producían o sintetizaban los principales metabolitos secundarios de las plantas (terpenos, fenoles y alcaloides), por lo que las investigaciones se encaminaron a estudiar las rutas de biosíntesis, sobre todo, con el cultivo de células en suspensión, células con una baja o sin diferenciación que se establecen y mantienen en medios de cultivo líquidos con agitación orbital constante.
Aunque los reportes indicaron un gran éxito en la producción de numerosos compuestos secundarios de diversas plantas, el desafío desde entonces ha sido producirlos en gran cantidad, ya que la productividad generalmente es baja, debido a que existe una relación entre esta producción y el nivel de diferenciación celular. Para superar esto, se desarrollaron investigaciones para mantener la estabilidad genética y bioquímica de los cultivos celulares, se diseñaron biorreactores para escalar la producción a nivel industrial, se han utilizado moléculas elicitoras o inductoras para estimular la sobreproducción y se han establecido cultivos de raíces y brotes, con o sin transformación genética, para lograr la acumulación de metabolitos secundarios que requieren de la diferenciación tisular.
Con 50 años de investigación en laboratorio, utilizando las estrategias antes mencionadas, se consiguió solo la sobreproducción de pocos metabolitos secundarios como la shikonina, pigmento rojo con propiedades antiinflamatorias y antimicrobianas que se produce a partir de cultivos celulares de Lithospermum erythrorhizon; ginsengósidos, compuestos bioactivos del ginseng (Panax ginseng y otras especies); y el taxol, que aunque la fuente original y principal sigue siendo el árbol de tejo (Taxus spp.), la producción de paclitaxel en cultivos celulares de Taxus se usa como complemento para la síntesis química.
Y, aunque pareciera que, debido a esto, ya no se llevan a cabo estudios que demuestren una alta productividad en cultivos in vitro, en el presente siglo, varios grupos de investigación en todo el mundo continúan trabajando con el uso de la biotecnología avanzada para establecer nuevos protocolos de producción de metabolitos secundarios vegetales.
¿Es el futuro para la producción de los compuestos de plantas?
En las últimas dos décadas se ha avanzado en la ingeniería metabólica, con la identificación de genes específicos de las enzimas clave de las rutas metabólicas para sobreproducir los metabolitos secundarios vegetales, ya sea por transformación o edición genética (CRISP-Cas9), la selección de líneas celulares con alta capacidad de producción, o bien con el establecimiento de cultivos in vitro con un alto potencial de manejarlos como biofábricas celulares, modificando las condiciones de cultivo como nutrientes, pH, luz y temperatura, o bien, adicionando precursores o compuestos elicitores, considerados como factores abióticos y bióticos.
Con investigaciones recientes, se ha demostrado la sobreproducción de ciertos metabolitos secundarios vegetales con el cultivo de células en suspensión, cultivo de callos, de brotes y de plántulas. Ejemplos son el paclitaxel, el ácido rosmarínico, los ginsenósidos, la azadiractina, los cardenólidos (glicósidos cardíacos), las hipericinas y pseudohipericinas, antraquinonas, vincristina, vinblastina y artemisinina.
En resumen, el cultivo de tejidos vegetales en cualquiera de sus tipos es una herramienta poderosa de la biotecnología vegetal que nos muestra un futuro muy prometedor para la sobreproducción de los metabolitos secundarios vegetales, utilizando una forma sostenible y eficiente.
Alejandra Hernández-García. es profesora e investigadora del Instituto de Investigaciones Químico Biológicas, de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Su área de especialización se centra en la Biotecnología Vegetal con estudios sobre la propagación y conservación de plantas, principalmente de interés e importancia forestal. Ha contribuido significativamente en el establecimiento de cultivos in vitro de tejidos vegetales, para el estudio de la producción de metabolitos secundarios con diferente actividad biológica.
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Rafael Salgado Garciglia, es profesor e investigador del Instituto de Investigaciones Químico Biológicas, de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Su área principal es la Biotecnología de Plantas, enfocándose en el estudio de metabolitos secundarios vegetales. Su investigación busca comprender y aplicar los compuestos naturales de las plantas, explorando sus propiedades medicinales y su potencial en el desarrollo de productos biotecnológicos innovadores para la salud, la agricultura y la industria alimentaria. Su labor es fundamental en la formación de recursos humanos de alto nivel y sobre la divulgación de la ciencia.
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