Natural products chemistry: isolation, bioactivity, and functional potential of secondary metabolites from plant sources

This doctoral thesis is framed within the field of natural products chemistry and focuses on the study of plant-derived secondary metabolites, with particular attention to their chemical characterization and biological potential in different application contexts. Secondary metabolites represent a highly diverse class of bioactive compounds produced by plants, involved in defense mechanisms and ecological interactions. At the same time, these molecules represent a valuable resource for several sectors, including pharmaceuticals, nutraceuticals, cosmetics, and the agri-food industry. The research was developed through a multidisciplinary approach integrating phytochemistry, advanced analytical chemistry, biological assays, and computational tools, with the aim of correlating the chemical composition of plant matrices with their biological properties. The experimental work involved several plant species widely distributed in the Mediterranean area and of interest for their aromatic, nutraceutical, or food-related properties, including Lavandula angustifolia, Origanum vulgare, Laurus nobilis, Cannabis sativa var. Kompolti, and Vicia faba. Both volatile fractions, mainly consisting of essential oils, and non-volatile fractions, rich in polyphenols and other secondary metabolites, were investigated. Volatile fractions were characterized using gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC–MS), while non-volatile fractions were analyzed through chromatographic techniques coupled with high-resolution mass spectrometry (LC–MS and LC–ESI–HR–MS/MS). Additional analytical techniques, including NMR spectroscopy and elemental analysis by ICP–OES, contributed to a comprehensive characterization of the plant matrices. A significant part of the research focused on aromatic plants and their essential oils. In particular, the chemical profiles of Lavandula angustifolia, Origanum vulgare, and Laurus nobilis were investigated and their main biological properties, including antioxidant, antifungal, and anti-inflammatory activities, were evaluated. In some cases, the interpretation of the biological results was supported by molecular docking studies to explore the interaction between major oil constituents and specific molecular targets. In parallel, plant matrices of nutraceutical and food interest were investigated through metabolomic approaches. In the case of Cannabis sativa var. Kompolti, phytochemical characterization of extracts was carried out and the biological potential of cannabidiol (CBD) was evaluated in a cellular model associated with Parkinson’s disease, highlighting possible antioxidant, anti-inflammatory, and neuroprotective effects. Furthermore, metabolomic analysis of different varieties of Vicia faba enabled the correlation of metabolic profiles with antioxidant and anti-inflammatory properties, contributing to the valorization of traditional crops as potential sources of bioactive compounds. A key aspect of the research is the use of untargeted metabolomic strategies, which allow the simultaneous analysis of multiple metabolite classes and provide an integrated view of plant chemical composition, enabling the interpretation of biological activities considering the role of the phytocomplex. Overall, the results highlight the importance of an integrated approach combining chemical characterization, metabolomic analysis, and biological evaluation to better understand the functional potential of plant secondary metabolites and to support the development of innovative and sustainable bioactive ingredients for different application fields.

La presente tesi di dottorato si inserisce nel campo della chimica dei prodotti naturali e ha come obiettivo lo studio dei metaboliti secondari di origine vegetale, con particolare attenzione alla loro caratterizzazione chimica e al potenziale biologico in diversi contesti applicativi. I metaboliti secondari costituiscono una classe estremamente ampia di composti bioattivi prodotti dalle piante, coinvolti nei processi di difesa e nelle interazioni con l’ambiente. Al tempo stesso rappresentano una risorsa di grande interesse per diversi settori, tra cui quello farmaceutico, nutraceutico, cosmetico e agroalimentare. La ricerca è stata sviluppata attraverso un approccio multidisciplinare che integra fitochimica, chimica analitica avanzata, saggi biologici e strumenti computazionali, con l’obiettivo di correlare la composizione chimica delle matrici vegetali con le loro proprietà biologiche. Il lavoro sperimentale ha riguardato diverse specie vegetali diffuse nell’area mediterranea e di interesse alimentare, nutraceutico o aromatico, tra cui Lavandula angustifolia, Origanum vulgare, Laurus nobilis, Cannabis sativa var. Kompolti e Vicia faba. Sono state analizzate sia le frazioni volatili, costituite principalmente da oli essenziali, sia quelle non volatili, ricche di polifenoli e altri metaboliti secondari. Le frazioni volatili sono state caratterizzate mediante gascromatografia accoppiata a spettrometria di massa (GC-MS), mentre le frazioni non volatili sono state studiate mediante tecniche cromatografiche accoppiate a spettrometria di massa ad alta risoluzione (LC-MS e LC-ESI-HR-MS/MS). Ulteriori metodologie analitiche, tra cui spettroscopia NMR e analisi elementare mediante ICP-OES, hanno contribuito a una caratterizzazione più completa delle matrici vegetali. Una parte rilevante della ricerca è stata dedicata allo studio delle piante aromatiche e dei loro oli essenziali. In particolare, sono stati analizzati i profili chimici di Lavandula angustifolia, Origanum vulgare e Laurus nobilis e valutate le loro attività biologiche, tra cui proprietà antiossidanti, antifungine e antinfiammatorie. In alcuni casi, l’interpretazione dei risultati è stata supportata da studi computazionali di molecular docking per esplorare l’interazione tra i principali costituenti e specifici bersagli molecolari. Parallelamente, sono state investigate matrici vegetali di interesse alimentare e nutraceutico attraverso approcci metabolomici. Nel caso di Cannabis sativa var. Kompolti è stata effettuata la caratterizzazione fitochimica degli estratti e studiato il potenziale biologico del cannabidiolo (CBD) in un modello cellulare associato alla malattia di Parkinson, evidenziando possibili effetti antiossidanti, antinfiammatori e neuroprotettivi. Inoltre, l’analisi metabolomica di diverse varietà di Vicia faba ha permesso di correlare il profilo metabolico con le proprietà antiossidanti e antinfiammatorie, contribuendo alla valorizzazione di colture tradizionali come fonti di composti bioattivi. Un elemento centrale del lavoro è rappresentato dall’impiego di strategie metabolomiche non mirate (untargeted), che consentono di ottenere una visione integrata della composizione chimica delle matrici vegetali e di interpretare le attività biologiche considerando il ruolo del fitocomplesso. Nel complesso, i risultati evidenziano l’importanza di un approccio integrato che combini caratterizzazione chimica, analisi metabolomica e valutazione biologica per comprendere il potenziale funzionale dei metaboliti secondari vegetali e favorire lo sviluppo di ingredienti bioattivi innovativi e sostenibili.