La biosintesi vegetale è la raccolta di processi naturali che le piante subiscono per convertire elementi minerali inorganici come potassio e azoto nel suolo insieme a elementi presenti nell’acqua e nell’aria in nutrienti, utilizzando l’energia derivata inizialmente dalla luce solare. Questi processi sono suddivisi in tre categorie di base per le piante, che includono fotosintesi, respirazione e sintesi chimica. Come gli animali e altri organismi viventi come i batteri, le piante fanno affidamento sullo scambio di ossigeno e anidride carbonica nell’atmosfera per sopravvivere. Inoltre sintetizzano e scompongono molti degli stessi composti nella biosintesi vegetale che fanno gli animali, inclusi aminoacidi, lipidi e carboidrati.
Comprendere i processi chiave della fotosintesi e della respirazione cellulare nelle piante è il primo passo verso la comprensione della biosintesi nelle piante in generale. La fotosintesi è un processo che preleva l’energia della luce visibile in specifiche lunghezze d’onda e la immagazzina nelle molecole di zucchero nelle piante attraverso l’uso di coloroplasti. I cloroplasti sono piccoli organelli all’interno delle cellule vegetali che contengono clorofilla, un composto verde che dà alle piante il loro colore e viene utilizzato nella sintesi di carboidrati come lo zucchero.
La biosintesi delle piante utilizza tre diversi tipi di pigmenti per massimizzare il suo assorbimento della luce. La clorofilla a pigmento assorbe la luce più fortemente attorno alla lunghezza d’onda di 430 nanometri, che è in gran parte di colore blu, e la clorofilla b assorbe la luce intorno a una lunghezza d’onda di 470 nanometri che è il vero verde. Un altro pigmento prodotto da alcune piante è il carotenoide, che assorbe la luce nell’intervallo giallo-arancione dello spettro visibile da lunghezze d’onda di 500 nanometri o superiori.
La respirazione delle piante è anche una caratteristica chiave del modo in cui le piante assorbono l’anidride carbonica e rimuovono l’ossigeno come gas di scarico, ma non respirano questi gas dentro e fuori come fanno gli animali. Il processo di respirazione nella biosintesi delle piante coinvolge piante che permettono all’aria di diffondersi nella loro struttura cellulare esterna, dove questi gas combinati vengono quindi trasportati dall’acqua alle membrane cellulari interne. L’energia per la respirazione proviene dal glucosio immagazzinato creato durante la fotosintesi. Le piante scindono il glucosio per produrre energia proprio come fanno gli animali e sono piuttosto efficienti con un guadagno netto di energia dal 22% al 38%. Questo è superiore a molte forme della moderna tecnologia umana come l’automobile, che è meno del 25% efficiente nel convertire la benzina in energia per il movimento.
Il processo di produzione di energia nella biosintesi delle piante si basa sulla stessa reazione chimica che tutti gli animali usano per generare energia. Le piante utilizzano molecole di adenosina trifosfato (ATP) per immagazzinare e rilasciare energia poiché l’ATP è sia costituito chimicamente sia scomposto dai mitocondri nelle cellule vegetali. La differenza tra piante e animali in questo processo è che i prodotti di scarto della produzione di energia per le piante sono anche glucosio, ossigeno e acqua, tutti composti essenziali su cui gli animali fanno affidamento per sopravvivere.
Il metabolismo delle piante di altri prodotti chimici può essere estremamente complesso e la scienza è implicitamente coinvolta nello studio dei percorsi di biosintesi nelle piante a causa dei numerosi tipi di composti organici utili che le piante producono. Gli enzimi vegetali sono noti dal 2011 per sintetizzare oltre 200.000 diversi tipi di sostanze chimiche, molte delle quali possono essere raccolte per l’uso in prodotti alimentari e medicinali. La maggior parte dei composti commercialmente utili prodotti dalla biosintesi delle piante non può ancora essere prodotta con mezzi artificiali in ambienti di laboratorio, quindi le piante stesse devono essere coltivate per raccogliere i prodotti chimici. La ricerca sulla biosintesi delle piante a partire dal 2011 si concentra sulla metodologia effettiva che una pianta utilizza per creare un composto e, una volta che questo è stato compreso a fondo, le colture cellulari della pianta possono essere coltivate in gran numero per produrre la sostanza chimica commercialmente.