Análise genômica comparativa e funcional de Humulus Lupulus e Cannabis sativa para a prospecção de genes associados com as rotas de biossíntese de terpenóides de interesses industriais

Abstract

O Humulus lupulus é uma planta fundamental na produção de cerveja, compondo um dos seus quatro ingredientes principais. Ele desempenha várias funções essenciais, incluindo a adição de amargor, sabor e aroma. As moléculas responsáveis por essas características são os terpenóides, derivados do composto orgânico isopreno. Esses compostos são produzidos através de duas vias distintas: a via do ácido mevalônico (MVA) e a via do metileritritol fosfato (MEP). A partir dessas rotas de biossíntese podem ser obtidos hemiterpenos, monoterpenos e diterpenos, que são moléculas de grande interesse industrial presentes no óleo essencial extraído do lúpulo. A utilização de ferramentas de bioinformática é essencial para a identificação de genes responsáveis pela produção de terpenóides. Além dos programas, é necessário utilizar organismos filogeneticamente relacionados ao lúpulo, como a Cannabis sativa, para a caracterização e descrição dos genes, aplicando os princípios de ortologia. Ao aplicar programas que rastreiam genes que possuem ancestralidade e resgatam domínios proteicos comuns entre Humulus lupulus e Cannabis sativa, foi possível descrever sequências que apresentam relevância na síntese de terpenóides. Estes genes identificados estão presentes na via do metileritritol fosfato (MEP), responsável pela produção de limoneno, geraniol, mirceno, humuleno, linalol, cariofileno e entre outros. Estas moléculas são os elementos principais que compõem os óleos essenciais obtidos do lúpulo, garantindo diferentes aromas e sabores na cerveja. O conhecimento obtido dos genes descritos neste estudo pode ser utilizado como alvo para melhorar o perfil sensorial de diferentes cervejas, além de aumentar a eficiência na produção de lúpulo e seus óleos essenciais.

Humulus lupulus (hop) is a fundamental plant in beer production and comprises one of its four main ingredients. It has several essential functions, including addition of bitterness, flavor, and aroma. Terpenoids derived from the organic compound isoprene are responsible for these characteristics of beer. These compounds are produced through two distinct pathways, mevalonate pathway (MVA) and methylerythritol phosphate (MEP) pathway. From these biosynthetic routes, it is possible to obtain hemiterpenes, monoterpenes, and diterpenes, which are molecules of great industrial interest present in essential oils extracted from hops. Bioinformatic tools are essential for the identification of genes responsible for the production of terpenoids. In addition to these programs, it is necessary to utilize phylogenetically similar organisms, such as Cannabis sativa, for the characterization and description of these genes by applying the principles of orthology. Applying programs that track genes that share ancestry and retrieve similar protein domains between hop and cannabis made it possible to describe sequences that are relevant to terpenoid synthesis. These identified genes are present in the MEP pathway and are responsible for the production of limonene, geraniol, myrcene, humulene, linalol, and caryophyllene. These molecules are the main elements that compose the essential oils obtained from hops, guaranteeing different scents and flavors in beer. The knowledge obtained from the genes described in this study can be utilized as a target for improving the sensorial profile of different beers, in addition to increasing the efficiency of lupulus and its essential oil production.