Nanotechnological approaches using curcumin and Withania somnifera: neuroprotection and antimicrobial activities

Tese de Doutoramento em Biologia de Plantas

Synthetic biology approaches to engineer new pathways for the production of plant secondary metabolites

Secondary metabolites from plants are important sources of high-value chemicals, many of them being pharmacologically active. These metabolites are commonly isolated through inefficient extractions from natural biological sources and are often difficult to synthesize chemically. Therefore, their production using engineered organisms has lately attracted an increased attention. Curcuminoids, an example of such metabolites, are produced in Curcuma longa and exhibit anti-cancer and anti-inflammatory activities. Herein we report the construction of an artificial biosynthetic pathway for the curcuminoids production in Escherichia coli. Different 4-coumaroyl-CoA ligases (4CL) and polyketide synthases (diketide-CoA synthase (DCS), curcumin synthase (CURS) and curcuminoid synthase) were tested. The highest curcumin production (70 mg/L) was obtained by feeding ferulic acid and with the Arabidopsis thaliana 4CL1 and C. longa DCS and CURS enzymes. Other curcuminoids (bisdemethoxy- and demethoxycurcumin) were also produced by feeding coumaric acid or a mixture of coumaric and ferulic acids, respectively. Curcuminoids, including curcumin, were also produced from tyrosine through the caffeic acid pathway. To produce caffeic acid, tyrosine ammonia lyase and 4-coumarate 3-hydroxylase were used. Caffeoyl-CoA O-methyltransferase was used to convert caffeoyl-CoA to feruloyl-CoA. This pathway represents an improvement of the curcuminoids heterologous production. The construction of this pathway in another model organism is being considered, as well as the introduction of alternative enzymes.

CURCUMINA, O PÓ DOURADO DO AÇAFRÃO-DA-TERRA: INTROSPECÇÕES SOBRE QUÍMICA E ATIVIDADES BIOLÓGICAS

Turmeric, obtained from the dried rhizomes of Curcuma longa (Zingiberaceae), is a golden colored material, commonly used around the world for seasoning and coloring food dishes. Since antiquity, turmeric has been widely used in the treatment of several diseases in traditional Chinese and Indian medicine (Ayurveda), where it is also known by other names such as Kanchani (goddess gold) or also Gauri (having a bright and luminous face), a designation stemming from the gilded appearance of the plant material. Curcumin, the main chemical component of turmeric, is responsible both for its properties as dyes as well as its biological activities. This diarylheptanoid was first isolated almost two centuries ago and had its chemical structure determined in 1910 as being diferuloylmethane. Subsequently, more detailed and relevant data were obtained furthering the understanding of structural features of curcumin. The classical methodology for the synthesis of curcumin and other curcuminoids was described in 1960 by Pabon. Subsequently, different variations on this methodology have been developed, culminating with the synthesis of different curcuminoids. Several studies have been published in recent years on the biological activities exhibited by curcumin including its antioxidant, antitumor, anti-inflammatory, antiviral, antibacterial, antifungal, antimalarial and leishmanicidal activities.

Avaliação de produtos alternativos para controle da requeima do tomateiro

Em condições de campo, avaliaram-se produtos alternativos no manejo da requeima do tomateiro (Lycopersicon esculentum), causada por Phytophthora infestans, em três experimentos (E). Compararam-se, em E1, extratos de: [pimenta (Capsicum chinense) + pimenta-do-reino (Piper nigrum) + cravo (Syzygium aromaticum) + açafrão-da-índia (Curcuma longa) + alho (Allium sativum)]; (pimenta-do-reino + cravo + alho); e (cravo + açafrão-da-índia + alho); em E2, óleo de nim (Azadirachta indica) (0,5%); leite (20%); e calda bordalesa; e em E3, preparado homeopático obtido de tecido de tomateiro com requeima (dinamização C30); mistura água-etanol; e calda bordalesa. Em E1, os extratos e a testemunha não diferiram quanto à severidade na metade da epidemia (Y50), severidade final (Ymáx), área abaixo da curva de progresso (AACPD) e taxa de progresso da doença (r). Em E2, Y50 com óleo de nim (3%) e calda bordalesa (1%) não diferiram; Ymáx foi maior com óleo de nim (44%) que com calda bordalesa (14%); leite não reduziu Ymáx; r e AACPD foram menores com óleo de nim (0,161 e 533, respectivamente) que na testemunha (0,211 e 1186, respectivamente) e semelhantes àqueles com calda bordalesa (0,156 e 130, respectivamente); r e AACPD foram similares nos tratamentos leite e testemunha. Em E3, Y50, Ymáx, AACPD e r com a mistura água-etanol e preparado homeopático foram similares aos da testemunha. A calda bordalesa foi o tratamento mais eficiente no controle da requeima, e o óleo de nim foi promissor. No manejo da doença em sistemas alternativos de produção, é necessário integrar práticas, para se potencializarem os efeitos individualizados.

Identificação de compostos voláteis da cúrcuma empregando microextração por fase sólida e cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas

Compostos voláteis da cúrcuma (Curcuma longa L.) cultivada no Brasil foram isolados por microextração por fase sólida. Os rizomas foram cozidos em solução de bicarbonato de sódio 0,1%, fatiados, secos e triturados. Visando estabelecer o sistema ideal para a microextração, fibras de polidimetilsiloxano de 100µm de espessura foram expostas ao headspace de frascos de 10mL. Estudou-se a influência das seguintes variáveis sobre o rendimento dos compostos voláteis obtidos: amostras em pó (0,1 a 1,0g) e em solução (40mg/L), diferentes temperaturas (40 a 70ºC) e tempos (2 a 20min) de partição. O efeito da temperatura (210 a 240ºC) e do tempo (3 e 5min) de dessorção também foi avaliado. As melhores condições para a partição dos compostos voláteis foram 0,1g do pó, 70ºC e 5min. A temperatura de 220ºC e o tempo de 5 minutos foram os de maior eficiência para a dessorção. A cromatografia gasosa foi conduzida em coluna capilar, detecção por ionização de chama e identificação por espectrometria de massas. A análise dos espectros de massas obtidos para os nove compostos voláteis predominantes indicou a presença de ar-curcúmeno, ar-turmerona, zingibereno, beta-sesquifelandreno, sabineno, 1,8-cineol e 1,4-terpineol.

Modulation of Endothelin-1 and Insulin-like Growth Factor Type 1-induced Signaling by Curcumin in A-10 Vascular Smooth Muscle Cells

Les maladies cardio-vasculaires (MCV), telles que l’hypertension et l’athérosclérose, s’accompagnent de modifications structurales et fonctionnelles au niveau vasculaire. Un fonctionnement aberrant de la migration, l’hypertrophie et la prolifération des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV) sont des évènements cellulaires à l’origine de ces changements. L’endothéline-1 (ET-1) contribue à la pathogénèse des anomalies vasculaires, notamment via l’activation des protéines MAPK et PI3-K/PKB, des composantes clés impliquées dans les voies prolifératives et de croissance cellulaires. Il a été suggéré que le stress oxydant jouerait un rôle intermédiaire dans les effets pathophysiologiques vasculaires de l’ET-1. En conséquence, une modulation de la signalisation induite par l’ET-1 peut servir comme éventuelle stratégie thérapeutique contre le développement des MCV. Il apparaît de nos jours un regain d’intérêt dans l’utilisation des agents phyto-chimiques pour traiter plusieurs maladies. La curcumine, constituant essentiel de l’épice curcuma, est dotée de plusieurs propriétés biologiques parmi lesquelles des propriétés anti-oxydantes, anti-prolifératrices et cardio-protectrices. Cependant, les mécanismes moléculaires de son effet cardio-protecteur demeurent obscurs. Dans cette optique, l’objectif de cette étude a été d’examiner l’efficacité de la curcumine à inhiber la signalisation induite par l’ET-1 dans les CMLV. La curcumine a inhibé la phosphorylation des protéines IGF-1R, PKB, c-Raf et ERK1/2, induite par l’ET-1 et l’IGF-1. De plus, la curcumine a inhibé l’expression du facteur de transcription Egr-1 induite par l’ET-1 et l’IGF-1, dans les CMLV. Ces résultats suggèrent que la capacité de la curcumine à atténuer ces voies de signalisation serait un mécanisme d’action potentiel de ses effets protecteurs au niveau cardiovasculaire.

Changes of traditional farming systems and their effects on land degradation and socio-economic conditions in the Inle Lake region, Myanmar

At many locations in Myanmar, ongoing changes in land use have negative environmental impacts and threaten natural ecosystems at local, regional and national scales. In particular, the watershed area of Inle Lake in eastern Myanmar is strongly affected by the environmental effects of deforestation and soil erosion caused by agricultural intensification and expansion of agricultural land, which are exacerbated by the increasing population pressure and the growing number of tourists. This thesis, therefore, focuses on land use changes in traditional farming systems and their effects on socio-economic and biophysical factors to improve our understanding of sustainable natural resource management of this wetland ecosystem. The main objectives of this research were to: (1) assess the noticeable land transformations in space and time, (2) identify the typical farming systems as well as the divergent livelihood strategies, and finally, (3) estimate soil erosion risk in the different agro-ecological zones surrounding the Inle Lake watershed area. GIS and remote sensing techniques allowed to identify the dynamic land use and land cover changes (LUCC) during the past 40 years based on historical Corona images (1968) and Landsat images (1989, 2000 and 2009). In this study, 12 land cover classes were identified and a supervised classification was used for the Landsat datasets, whereas a visual interpretation approach was conducted for the Corona images. Within the past 40 years, the main landscape transformation processes were deforestation (- 49%), urbanization (+ 203%), agricultural expansion (+ 34%) with a notably increase of floating gardens (+ 390%), land abandonment (+ 167%), and marshlands losses in wetland area (- 83%) and water bodies (- 16%). The main driving forces of LUCC appeared to be high population growth, urbanization and settlements, a lack of sustainable land use and environmental management policies, wide-spread rural poverty, an open market economy and changes in market prices and access. To identify the diverse livelihood strategies in the Inle Lake watershed area and the diversity of income generating activities, household surveys were conducted (total: 301 households) using a stratified random sampling design in three different agro-ecological zones: floating gardens (FG), lowland cultivation (LL) and upland cultivation (UP). A cluster and discriminant analysis revealed that livelihood strategies and socio-economic situations of local communities differed significantly in the different zones. For all three zones, different livelihood strategies were identified which differed mainly in the amount of on-farm and off-farm income, and the level of income diversification. The gross margin for each household from agricultural production in the floating garden, lowland and upland cultivation was US$ 2108, 892 and 619 ha-1 respectively. Among the typical farming systems in these zones, tomato (Lycopersicon esculentum L.) plantation in the floating gardens yielded the highest net benefits, but caused negative environmental impacts given the overuse of inorganic fertilizers and pesticides. The Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) and spatial analysis within GIS were applied to estimate soil erosion risk in the different agricultural zones and for the main cropping systems of the study region. The results revealed that the average soil losses in year 1989, 2000 and 2009 amounted to 20, 10 and 26 t ha-1, respectively and barren land along the steep slopes had the highest soil erosion risk with 85% of the total soil losses in the study area. Yearly fluctuations were mainly caused by changes in the amount of annual precipitation and the dynamics of LUCC such as deforestation and agriculture extension with inappropriate land use and unsustainable cropping systems. Among the typical cropping systems, upland rainfed rice (Oryza sativa L.) cultivation had the highest rate of soil erosion (20 t ha-1yr-1) followed by sebesten (Cordia dichotoma) and turmeric (Curcuma longa) plantation in the UP zone. This study indicated that the hotspot region of soil erosion risk were upland mountain areas, especially in the western part of the Inle lake. Soil conservation practices are thus urgently needed to control soil erosion and lake sedimentation and to conserve the wetland ecosystem. Most farmers have not yet implemented soil conservation measures to reduce soil erosion impacts such as land degradation, sedimentation and water pollution in Inle Lake, which is partly due to the low economic development and poverty in the region. Key challenges of agriculture in the hilly landscapes can be summarized as follows: fostering the sustainable land use of farming systems for the maintenance of ecosystem services and functions while improving the social and economic well-being of the population, integrated natural resources management policies and increasing the diversification of income opportunities to reduce pressure on forest and natural resources.

Turmeric extract may improve irritable bowel syndrome symptomology in otherwise healthy adults: a pilot study

Objectives: To assess the effects of turmeric (Curcuma longa) extract on irritable bowel syndrome (IBS) symptomology in otherwise healthy adults. Design: Partially blinded, randomized, two-dose, pilot study. Subjects: Five hundred (500) volunteers were screened for IBS using the Rome II criteria. Two hundred and seven (207) suitable volunteers were randomized. Interventions: One or two tablets of a standardized turmeric extract taken daily for 8 weeks. Outcomes measures: IBS prevalence, symptom-related quality of life (IBSQOL) and self-reported effectiveness. Results: IBS prevalence decreased significantly in both groups between screening and baseline (41% and 57%), with a further significant drop of 53% and 60% between baseline and after treatment, in the one- and two-tablet groups respectively (p < 0.001). A post-study analysis revealed abdominal pain/discomfort score reduced significantly by 22% and 25% in the one- and two-tablet group respectively, the difference tending toward significance (p = 0.071). There were significant improvements in all bar one of the IBSQOL scales of between 5% and 36% in both groups, approximately two thirds of all subjects reported an improvement in symptoms after treatment, and there was a favorable shift in self-reported bowel pattern. There were no significant differences between groups. Conclusions: Turmeric may help reduce IBS symptomology. Placebo controlled trials are now warranted to confirm these findings.

Retardadores de crescimento na produção de plantas floridas envasadas de açafrão-da-cochinchina

A introdução de novos produtos na floricultura brasileira é importante para o crescimento do setor. O açafrão-da-cochinchina (Curcuma alismatifolia) possui inflorescência e folhagem altamente decorativas e grande potencial para produção como florífera envasada, com o auxílio de retardadores de crescimento, usados na produção de plantas compactas e atrativas. Avaliou-se o efeito de retardadores de crescimento na produção de açafrão-da-cochinchina `Pink', de 3/12/2004 a 28/4/2005, sob ambiente protegido, em Holambra (SP). Instalou-se experimento em blocos casualizados com três repetições e onze tratamentos: controle, paclobutrazol (20; 25; 30 e 35 mg i.a./vaso, via substrato), duas, três e cinco pulverizações de daminozide na concentração de 2,125 g L-1 e duas, três e cinco pulverizações de solução de daminozide (1,275 g L-1) mais chlormequat (0,2 g L-1). O propágulo foi plantado em vaso plástico (1,0 L) com substrato comercial e fertirrigado diariamente. Paclobutrazol (35 mg i.a./vaso) reduziu significativamente a altura da parte aérea e da folhagem e o comprimento da haste floral, sem alterar o comprimento da inflorescência e atrasar o ciclo de produção. Entretanto, as plantas não ficaram suficientemente compactas para atender às exigências de qualidade do mercado. Os demais retardadores estudados não afetaram significativamente a altura da folhagem e o comprimento da haste floral comparado ao controle.

Caracterização dos estádios fenológicos da cúrcuma, em função da época e densidade de plantio

A cúrcuma é uma espécie, originária da Índia, com grande potencial de utilização nos mercados de corantes, medicinal e alimentício. Este trabalho foi conduzido com o objetivo de avaliar a resposta da planta aos fatores época e densidade de plantio, por meio da caracterização dos estádios fenológicos. Verificou-se que o período de crescimento vegetativo caracterizou-se pelas etapas de pré-perfilhamento e perfilhamento. A primeira etapa, de crescimento lento, mostrou-se influenciada significativamente pela época de plantio, havendo maior precocidade no aparecimento de perfilhos com atraso no plantio. A etapa seguinte, de perfilhamento, mostrou acentuado acúmulo de fitomassa, sendo grande a contribuição dos perfilhos. O período de crescimento dos rizomas teve seu início influenciado significativamente pelo fator época de plantio, sendo tanto mais precoce quanto mais tardio foi o plantio. A extensão do período de crescimento foi de 147, 124, 102 e 79 dias para os plantios efetuados em 20 de outubro, 20 de novembro, 20 de dezembro e 20 de janeiro, correspondente a ciclo cultural, respectivamente, de 270, 240, 210 e 180 dias. Somente foi observado efeito significativo do fator densidade de plantio sobre o período de crescimento vegetativo, sendo o comprimento deste inversamente proporcional à densidade utilizada.

Cúrcuma: planta medicinal, condimentar e de outros usos potenciais

A cúrcuma (Curcuma longa L.), espécie originária do sudeste asiático, é considerada uma preciosa especiaria. Com a proibição do uso de pigmentos sintéticos nos principais países da América do Norte e Europa, têm sido procuradas alternativas naturais. A cúrcuma, além de sua principal utilização como condimento, possui substâncias antioxidantes, antimicrobianas e corantes (curcumina) que lhe conferem possibilidade de emprego nas áreas de cosméticos, têxtil, medicinal e alimentício. Até o presente momento, poucos estudos foram realizados com a cúrcuma no Brasil, fato que determina baixa produtividade. Entretanto, recentes resultados de pesquisa mostram a possibilidade de obtenção de produtividades semelhantes às de seu país de origem, ainda que maiores estudos sejam necessários para definição de estande, adubação e outras práticas culturais. Os objetivos do presente trabalho são apresentar a versatilidade mercadológica da cúrcuma, caracterizar a espécie quanto a aspectos botânicos, nutricionais e químicos, bem como reunir e discutir informações técnicas para melhoria da produtividade e qualidade dos rizomas.

Época e densidade de plantio na produção de cúrcuma

Com o objetivo de avaliar a produtividade da cúrcuma em função da época e densidade de plantio, este experimento foi instalado no período de outubro de 1994 a julho de 1995, em campo, na Universidade Federal de Lavras (UFLA), no município de Lavras-MG. Foram avaliados os fatores épocas de plantio (20/out, 20/nov, 20/dez e 20/jan) e espaçamento entre plantas na linha de plantio (0,20; 0,35 e 0,50m), sob delineamento de blocos ao acaso, em parcelas sub-divididas, com três repetições. A produção de rizomas por planta e por área foram influenciados significativamente pela interação dos fatores avaliados. Maiores produtividades por planta (673,13g) e por área (24.678,82kg ha-1) foram obtidas nos plantios de 20 de novembro e espaçamentos entre plantas, respectivamente, de 0,36 e 0,30m.

Production of turmeric oleoresin microcapsules by complex coacervation with gelatin-gum arabic

Turmeric oleoresin is a colorant prepared by solvent extraction of turmeric (Curcuma longa L.). Curcumin, the major pigment present in turmeric, has been described as a potent antioxidant, anti-inflammatory and anticarcinogenic agent. Turmeric pigments are lipid soluble and water insoluble and are sensitive to light, heat, oxygen and pH, which can be overcome by microencapsulation of turmeric oleoresin. The aim of this work was to investigate microencapsulation of turmeric oleoresin by complex coacervation using gelatin and gum Arabic as encapsulants and freeze-drying as the drying method. The coacervation process was studied by varying the concentration of biopolymer solution (2.5, 5.0 and 7.5%) and the core material: total encapsulant ratio (25, 50, 75 and 100%). Microcapsules were evaluated for encapsulation efficiency, morphology, solubility and stability to light. Encapsulation efficiency ranged from 49 to 73% and samples produced with 2.5% of wall material and 100% core: encapsulant ratio showed better stability to light. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Avaliação dos efeitos fisiológicos e bioquímicos do tratamento com curcumina incorporada ao iogurte no diabetes experimental

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Características estruturais e físico-químicas de amidos obtidos de diferentes fontes botânicas

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)