مهندسی سطوح بالای آپوکاروتنوئیدهای زعفران در گوجه فرنگی

کروسین‌ها و پیکروکروسین رنگدانه‌های آبدوست با ارزش بالایی هستند که در زعفران تولید می‌شوند و به صورت تجاری در صنایع غذایی و دارویی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این آپوکاروتنوئیدها از تجزیه اکسیداتیو زآگزانتین توسط دی‌اکسیژنازهای خاص تجزیه کاروتنوئید مشتق می‌شوند. مسیر بیوسنتز کروسین‌ها و پیکروکروسین با استفاده از پیش‌برنده‌های خاص میوه و ساختاری به گوجه‌فرنگی معرفی شد و منجر به تولید 14.48 میلی‌گرم بر گرم کروسین و 2.92 میلی‌گرم بر گرم پیکروکروسین در DW گوجه‌فرنگی، بدون به خطر انداختن رشد گیاه، شد. این استراتژی شامل بیان CsCCD2L برای تولید کروستین دی‌آلدئید و 2،6،6-تری‌متیل-4-هیدروکسی-1-کربوکسالدئید-1-سیکلوهگزن و بیان گلیکوزیل‌ترانسفرازهای UGT709G1 و CsUGT2 به ترتیب برای تولید پیکروکروسین و کروسین بود. تجزیه و تحلیل متابولیک میوه‌های مهندسی‌شده، پیکروکروسین و کروستین-(β-D-جنتیوبیوزیل)-(β-D-گلوکوزیل)-استر را به عنوان مولکول غالب کروسین و همچنین سافرانال را به جای کاروتنوئیدهای معمول گوجه‌فرنگی نشان داد. نتایج، بالاترین میزان کروسین را که تاکنون توسط مهندسی متابولیک در سیستم‌های هترولوگ به دست آمده است، نشان داد. علاوه بر این، گوجه‌فرنگی‌های مهندسی‌شده ظرفیت آنتی‌اکسیدانی بالاتری نشان دادند و توانستند در برابر اختلالات عصبی در مدل Caenorhabditis elegans از بیماری آلزایمر محافظت کنند. بنابراین، این گوجه‌فرنگی‌های جدید توسعه‌یافته می‌توانند به عنوان بستری جدید برای تولید آپوکاروتنوئیدهای زعفران با رقابت اقتصادی و خواص ارتقادهنده سلامت مورد استفاده قرار گیرند.

Crocins and picrocrocin are high-value hydrophilic pigments produced in saffron and used commercially in the food and pharmaceutical industries. These apocarotenoids are derived from the oxidative cleavage of zeaxanthin by specific carotenoid cleavage dioxygenases. The pathway for crocins and picrocrocin biosynthesis was introduced into tomato using fruit specific and constitutive promoters and resulted in 14.48 mg/g of crocins and 2.92 mg/g of picrocrocin in the tomato DW, without compromising plant growth. The strategy involved expression of CsCCD2L to produce crocetin dialdehyde and 2,6,6-trimethyl-4-hydroxy-1-carboxaldehyde-1- cyclohexene, and of glycosyltransferases UGT709G1 and CsUGT2 for picrocrocin and crocins production, respectively. Metabolic analyses of the engineered fruits revealed picrocrocin and crocetin-(β-D-gentiobiosyl)-(β-D-glucosyl)-ester, as the predominant crocin molecule, as well as safranal, at the expense of the usual tomato carotenoids. The results showed the highest crocins content ever obtained by metabolic engineering in heterologous systems. In addition, the engineered tomatoes showed higher antioxidant capacity and were able to protect against neurological disorders in a Caenorhabditis elegans model of Alzheimer’s disease. Therefore, these new developed tomatoes could be exploited as a new platform to produce economically competitive saffron apocarotenoids with healthpromoting properties.