متابولیتهای ثانویه
متابولیتها یا فرآورده های ثانویه گیاهی (Secondary Metabolite) به ترکیبات آلی گفته می شود که توسط گیاه تولید شده، اما برای گیاه (رشد و نمو) مورد استفاده قرار نمی گیرد. این دسته از ترکیبات دارای وزن مولکولی کم بوده و توسط سلول های خاصی سنتز می شود مانند؛ فنولیکها، آلکالوئیدها، فلاونوییدها، ترپنوئیدها و استروییدها که غالبا در پاسخ به تنش ها مانند آلودگی های میکروبی، آسیب های فیزیکی، گرما، سرما، فشار اسمزی و همچنین حمله آفات و حشرات تولید و سنتز می شوند.
سنتز متابولیتهای ثانویه فقط در پاسخ به تنش ها نبوده و لزوماٌ نقش دفاعی ندارد، برای مثال کربن های اضافی در واکوئل ها و دیواره های سلولی ذخیره شده و تولید متابولیتهای ثانویه را تحریک می کند. این متابولیت های تولید شده نیز در زمان رشد گیاه تجزیه شده و کربن ذخیره شده را آزاد می کند.
چرا متابولیتهای ثانویه مهم هستند؟
متابولیتهای ثانویه به عنوان ترکیبات غیرضروری برای رشد مستقیم ارگانیسم تعریف می شوند. این ترکیبات در فازهای ایستایی یا کاهش رشد، به ویژه در میکروارگانیسم ها، تولید می گردند. در گیاهان، این ترکیبات برای دفاع در برابر گیاه خواران، جذب گرده افشان ها، رقابت با گیاهان دیگر و پاسخ به تنش های بیوتیک و آبوتیک ضروری هستند. بسیاری از داروها، طعم دهنده ها، رنگ ها و مواد مخدر تفریحی از این ترکیبات مشتق می شوند. برای مثال، پیپکولیک اسید یک متابولیت ثانویه است که در ساختار آمینواسیدها نقش دارد.
انواع متابولیتهای ثانویه
متابولیتهای ثانویه بر اساس ساختار شیمیایی به دستههای اصلی تقسیم میشوند:
- آلکالوئیدها (Alkaloids): ترکیبات نیتروژن دار مانند مورفین و کافئین که اغلب خاصیت دارویی یا سمی دارند.
- ترپنوئیدها (Terpenoids): بزرگ ترین گروه، شامل کاروتنوئیدها، اسانس ها و رزین ها که از ایزوپرن ساخته می شوند.
- فنولیک ها (Phenolics): مانند فلاونوئیدها و تانن ها که آنتی اکسیدان که در رنگ و طعم گیاهان نقش دارند.
- گلوکوزینولات ها (Glucosinolates): در گیاهان خانواده کلم یافت شده و در دفاع نقش دارند.
- سایر گروه ها: مانند پلی کتیدها، اسیدهای چرب غیرمعمول و ترکیبات گوگردی.
این دسته بندی ها بر اساس مسیرهای بیوسنتزی متفاوت هستند و هر کدام عملکردهای خاصی دارند.
کاربردها
بسیاری از روغن ها، اسانس ها، عصاره ها، عطرها و طعم ها حاصل فرآورده های ثانویه است. انسان از این ترکیبات برای ساخت دارو، مواد مخدر و طعم دهنده های غذایی استفاده می کند. کافئین (Caffeine) موجود در قهوه و چای، تئوبرومین (Theobromine) و تئوفیلین (Theophylline) های موجود در کاکائو، تنها نمونه هایی از دنیای وسیع ترکیبات ارگانیک فرآورده های ثانویه گیاهی هستند. کاربردهای متابولیت های ثانویه گیاهی، تنها به موارد بالا خلاصه نشده و همواره در حال توسعه است.
یکی از مهمترین کاربردهای فرآورده های ثانویه در صنعت داروسازی است. ترکیبات بسیار مهم تاکسول (Taxol)، تترا هیدروکانابینول THC، وین بلاستین (Vinblastine)، وین کریستین (Vincristine) در درمان سرطان و تولید داروهای شیمی درمانی، دیگوکسین (Digoxin) برای ناهنجاری های قلبی و آتروپین (Atropine) برای صفرا نقش دارند. ترکیبی مانند تاکسول از متابولیتهای ثانویه ارزشمندی به حساب می آید که از گیاهان سرخدار و فندق قابل استخراج است.
در چه صنایعی استفاده می شوند؟
کاربردهای متابولیت های ثانویه در صنایع مختلف گسترده است:
- دارویی: بسیاری از داروها مانند آسپیرین (از سالیسیلیک اسید) و پنی سیلین (از قارچ ها) از این ترکیبات هستند.
- غذایی: طعم دهنده ها، رنگ ها و نگهدارنده ها مانند وانیلین یا کورکومین.
- آرایشی: رنگ ها و عطرها در محصولات زیبایی.
- کشاورزی: آفت کش ها و علف کش های طبیعی.
- صنعتی: رنگ ها، عطرها و مواد افزودنی.
این ترکیبات اغلب به صورت مخلوط های پیچیده استفاده شده و ارزش اقتصادی بالایی دارند.
نقشها و عملکردها در گیاه
این ترکیبات در گیاهان نقش های متنوعی ایفا می کنند. متابولیت های ثانویه با تولید ترکیبات سمی و بازدارنده، از گیاهان در برابر پاتوژن ها و گیاه خواران دفاع می کنند. همچنین، در جذب حشرات و جانوران گرده افشان با رنگ ها و بوها کمک می کنند. یکی دیگر از کاربردهای مهم این ترکیبات، نقش آنتی اکسیدانی است که گیاه در برابر تنش های محیطی مانند خشکی یا اشعه UV، مقاوم می کند. در میکروارگانیسم ها، آن ها اغلب برای رقابت با دیگر گونه ها تولید می شوند. مطالعات نشان می دهد که این ترکیبات در رشد، توسعه و پاسخ های دفاعی گیاهان حیاتی هستند.
با پیشرفت علم، تولید فرآورده های ثانویه ارزشمند از طریق مسیرهای سنتز مصنوعی اصلاح شده و بهبود یافته است. روش تولید کشت بافت و ریزازدیادی موثرترین و سریع ترین روش تولید گیاهان دارویی است. به بیان دیگر توسعه کشت بافت گیاهان دارویی که منبع اصلی تولید و استخراج مواد موثره گیاهی هستند، ضامن تولید داروهای مهمی از جمله داروهای ضد سرطان است.
روش های تولید
تولید متابولیت های ثانویه به روش های مختلفی به شرح ذیل انجام می شود:
- استخراج طبیعی: از گیاهان وحشی یا کشت شده، اما اغلب ناکارآمد و مخرب محیط زیست است.
- کشت بافت گیاهی: استفاده از کالوس یا سوسپانسیون سلولی برای تولید در مقیاس آزمایشگاهی که با الیسیتورها (مانند هورمون ها) تحریک می شود.
- بیوتکنولوژی: مهندسی ژنتیک برای افزایش تولید در گیاهان یا میکروارگانیسمها، مانند باکتری های مهندسی شده.
- سنتز شیمیایی: برای برخی ترکیبات ساده کاربردی، اما برای پیچیده ها چالش برانگیز است.
- متابولومیکس: برای بهینه سازی تولید استفاده می شود.
تحقیقات اخیر
تحقیقات اخیر بر بیوسنتز، نقش در پاسخ به تنش و کاربردهای جدید تمرکز دارد. در سال های اخیر، مطالعات نشان داده که متابولیت های ثانویه در تنظیم رشد گیاهان و ایمنی نقش دارند. رویکردهای متابولومیکس برای شناسایی ترکیبات جدید در گیاهان تحت تنش استفاده می شود. همچنین، تولید پایدار با استفاده از فناوری های ژنتیکی و نانوتکنولوژی در حال توسعه است.
متابولیتهای ثانویه نمادی از تنوع زیستی و پتانسیل طبیعت برای حل مشکلات انسانی هستند. با پیشرفت های علمی، تولید و کاربرد آنها کارآمدتر خواهد شد و می تواند به حل چالش هایی مانند مقاومت آنتی بیوتیکی یا کشاورزی پایدار کمک کند. تحقیقات آینده باید بر پایداری و ایمنی تمرکز کند تا این ترکیبات به طور گسترد هتری بهره برداری شوند.
