El descubrimiento de proteínas vegetales puede impulsar los rendimientos agrícolas y la producción de biocombustibles

El descubrimiento de proteínas vegetales puede impulsar los rendimientos agrícolas y la producción de biocombustibles

Investigadores de Salk y del estado de Iowa identifican tres proteínas involucradas en los ácidos grasos vegetales, los componentes clave de los aceites de semillas

LA JOLLA, CA—Los científicos del Instituto Salk de Estudios Biológicos y la Universidad Estatal de Iowa descubrieron una familia de proteínas vegetales que desempeñan un papel en la producción de aceites de semillas, sustancias importantes para la nutrición animal y humana, productos químicos biorenovables y biocombustibles.

Con un raro triplete científico, los investigadores identificaron tres proteínas relacionadas en las plantas de berro thale (Arabidopsis thaliana) que regulan el metabolismo de los ácidos grasos, componentes químicos de todas las membranas celulares y aceites vegetales. Llamaron a estas proteínas de unión a ácidos grasos FAP1, FAP2 y FAP3.

Los hallazgos, informados el 13 de mayo en Naturaleza, puede conducir al desarrollo de cultivos mejorados que produzcan mayores calidades y cantidades de aceites, ayudando a abordar la creciente demanda de alimentos y combustibles y las consiguientes presiones ambientales sobre los ecosistemas del mundo.

“Este trabajo tiene implicaciones importantes para modular los perfiles de ácidos grasos de las plantas, lo cual es sumamente importante, no solo para la producción y nutrición sostenibles de alimentos, sino también para los combustibles y químicos biorenovables”, dice. jose noel, director del Centro de Biología Química y Proteómica Jack H. Skirball de Salk e investigador del Instituto Médico Howard Hughes (HHMI), quien dirigió el estudio multidisciplinario junto con Eve Syrkin Wurtele, profesora de Genética, Desarrollo y Biología Celular en el Instituto de Investigación de Plantas en Estado de Iowa.

Gordon V. Louie, Ryan N. Philippe y Marianne E. Bowman.

Imágenes: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

"Debido a que las moléculas de muy alta energía, como los ácidos grasos, se crean en la planta mediante la energía solar", dice Wurtele, "este tipo de moléculas pueden, en última instancia, proporcionar las fuentes más eficientes para productos biorenovables".

Los aceites vegetales se componen principalmente de triglicéridos, formados al unir tres moléculas de ácidos grasos, y se almacenan principalmente en las semillas, donde se utilizan como energía durante la germinación. Las semillas son fuentes cruciales de aceites para nutrición, saborizantes y aplicaciones industriales, como la fabricación de jabones y cosméticos y para biocombustibles. Con la creciente preocupación por el cambio climático global y la seguridad del petróleo, la producción de biocombustibles para su uso en el transporte y la generación de energía es una industria floreciente.

Para ayudar a abordar esta demanda, los científicos están desbloqueando las vías moleculares involucradas en el metabolismo del aceite de semilla con la esperanza de encontrar formas de aumentar la capacidad y la calidad.

En su estudio, Noel y sus colaboradores identificaron tres genes prometedores a través del análisis de datos genómicos de plantas y luego utilizaron una variedad de técnicas, que incluyen cristalografía de rayos X de proteínas, biología computacional, bioquímica, análisis de plantas mutantes, metabolómica y perfiles de expresión génica, para caracterizar funcionalmente las proteínas que producen estos genes.

Descubrieron que las proteínas, FAP1, FAP2 y FAP3, se unen a los ácidos grasos, incluido el principal ácido graso vegetal omega-3, un componente nutricional importante que se encuentra en ciertas semillas. "Dicen que una imagen vale más que mil palabras, y ese es sin duda el caso de estos FAP", dice Gordon Louie, investigador del HHMI en el laboratorio de Noel, quien determinó la disposición tridimensional de los FAP que se aferran a su carga de ácidos grasos. .

Superposición de las estructuras conocidas de las proteínas CHI-fold de Arabidopsis thaliana y alfalfa (Medicago sativa). Las cadenas principales de proteínas se muestran como cintas, con las hebras β representadas como flechas planas (azul), las hélices κ como espirales anchas (naranja) y los bucles como cuerdas delgadas (gris). Los diversos ligandos unidos en estas proteínas (naringenina en alfalfa CHI y ácidos grasos en AtFAP1 y AtFAP3) se muestran como esferas de van der Waals.

Imágenes: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

Las proteínas se encontraron en los cloroplastos, el sitio de producción de ácidos grasos y fotosíntesis. Esto sugirió que estas proteínas desempeñan un papel en el metabolismo de los ácidos grasos y, por lo tanto, en la producción de ácidos grasos para las membranas y los aceites de las plantas.

Esta hipótesis se reforzó al mostrar que los genes FAP son los más activos en el desarrollo de semillas, apareciendo al mismo tiempo y en el mismo lugar como conocidas enzimas involucradas en la síntesis de ácidos grasos. Los investigadores también encontraron que alterar la expresión de estos genes en una planta conduce a cambios en la calidad y cantidad de ácidos grasos.

"Las proteínas parecen ser eslabones perdidos cruciales en el metabolismo de los ácidos grasos en Arabidopsis, y probablemente cumplen una función similar en otras especies de plantas, ya que encontramos los mismos genes repartidos por todo el reino vegetal", dice Ryan Philippe, investigador postdoctoral en Noel's. laboratorio.

Micheline Ngaki, estudiante de posgrado en el laboratorio de Wurtele, dice que si los investigadores pueden entender con precisión qué papel juegan las proteínas en la producción de aceite de semilla, podrían modificar la actividad de las proteínas en nuevas cepas de plantas para producir más aceite o un aceite de mayor calidad. que los cultivos actuales.

Los hallazgos de los investigadores también tienen implicaciones para la biología evolutiva y cómo las familias grandes y esenciales de enzimas surgen de primos no enzimáticos y luego son perfeccionadas por la evolución.

Los antiguos ancestros de las proteínas que descubrieron los equipos de investigación evolucionaron hasta convertirse en la enzima chalcona isomerasa, que desempeña un papel clave en la producción de un grupo de polifenoles conocidos como flavonoides, compuestos que cumplen una serie de funciones en las plantas y son fundamentales para la prevención de enfermedades en dietas humanas.

“Una función de los flavonoides es proteger a las plantas de la luz solar, lo que habría sido clave cuando las plantas emergieron por primera vez de los océanos y lagos para colonizar la tierra”, dice Noel. “Hemos demostrado que las proteínas FAP muy antiguas que todavía se encuentran en las algas y otros organismos no vegetales adquirieron actividad de isomerasa de chalcona hace cientos de millones de años, lo que permitió a las plantas terrestres producir flavonoides para sobrevivir en ausencia del entorno protector del agua. ”

El descubrimiento también puede ayudar a los bioingenieros centrados en la creación de nuevas enzimas para usos industriales al revelar cómo la naturaleza convierte las proteínas en máquinas químicas conocidas como enzimas.

“La naturaleza ha estado perfeccionando las enzimas durante al menos tres mil millones de años porque llevan a cabo cientos de miles de reacciones químicas en todos los organismos, y todos necesitamos estas reacciones para sobrevivir y prosperar”, dice Noel. “Podríamos aprender mucho al comprender ese experimento de tres mil millones de años”.

Otros colaboradores en el estudio incluyen, Ling Li, profesor adjunto en el Departamento de Desarrollo Genético y Biología Celular en el Estado de Iowa; gerard manning, director del Centro de Bioinformática Razavi Newman de Salk; y Marianne Bowman, Florence Pojer y Elise Larsen, investigadoras del HHMI en el Centro Jack H. Skirball de Biología Química y Proteómica de Salk.

La Fundación Nacional de Ciencias, el Instituto Nacional del Cáncer y el HHMI financiaron la investigación.

Sobre el Instituto Salk de Estudios Biológicos:

El Instituto Salk de Estudios Biológicos es una de las instituciones de investigación básica más importantes del mundo, donde profesores de renombre internacional investigan cuestiones fundamentales de las ciencias de la vida en un entorno único, colaborativo y creativo. Centrados tanto en el descubrimiento como en la orientación de futuras generaciones de investigadores, los científicos de Salk realizan contribuciones innovadoras a nuestra comprensión del cáncer, el envejecimiento, el Alzheimer, la diabetes y las enfermedades infecciosas mediante el estudio de la neurociencia, la genética, la biología celular y vegetal y disciplinas relacionadas.

Los logros de la facultad han sido reconocidos con numerosos honores, incluidos premios Nobel y membresías en la Academia Nacional de Ciencias. Fundado en 1960 por el pionero de la vacuna contra la polio Jonas Salk, MD, el Instituto es una organización independiente sin fines de lucro y un hito arquitectónico.