Las plantas cortan la mostaza para los descubrimientos básicos en el metabolismo

Las plantas cortan la mostaza para los descubrimientos básicos en el metabolismo

Una pequeña hierba revela una conexión química inesperada entre las vías hormonales

LA JOLLA, CA—Puede pensar que no tiene nada en común con la mostaza, excepto los hot dogs. Sin embargo, basándose en la investigación en una planta de la familia de la mostaza, los científicos de Salk han descubierto una posible explicación de cómo los organismos, incluidos los humanos, regulan directamente las reacciones químicas que ajustan rápidamente el crecimiento de los órganos. Estos hallazgos anulan las opiniones convencionales sobre cómo las diferentes partes del cuerpo coordinan su crecimiento, arrojando luz sobre el desarrollo de plantas más productivas y nuevas terapias para enfermedades metabólicas.

Metabolismo se refiere a todas las reacciones químicas en el cuerpo que impulsan los procesos básicos de la vida: nacimiento, crecimiento, reproducción, digestión, detección, etc. Estas reacciones son orquestadas y aceleradas por máquinas moleculares llamadas enzimas. Hasta ahora, se creía que cada función metabólica requería una ruta enzimática completamente separada. Para complicar aún más el panorama, los científicos se centraron casi exclusivamente en la activación y desactivación de los genes como el medio por el cual se regulaba cada paso en el camino, de manera similar a esperar a que se ordene una pieza y luego se fabrique antes de que el motor pueda funcionar.

En un artículo de esta semana Nature Chemical Biology, científicos de Salk e investigadores del Instituto Médico Howard Hughes joanne chory y José P. Noel y sus colegas muestran que los pasos metabólicos pueden simplificarse y vincularse mucho más. Inesperadamente, dos vías separadas que originalmente se pensaba que estaban controladas únicamente por interruptores genéticos pueden tener canales enzimáticos entre ellas, lo que les permite compartir rápidamente abundantes componentes básicos para dos mensajes químicos separados conocidos como hormonas. Estas hormonas se fabrican en una parte del cuerpo en respuesta a cambios en el medio ambiente y alteran rápidamente el crecimiento en otras partes. Muchas veces, se necesitan al menos dos hormonas para ajustar rápidamente el crecimiento de diferentes tejidos en respuesta a un solo evento.

Al sentir la amenaza de la sombra de una planta vecina, Arabidopsis thaliana Las plantas alargan rápidamente diferentes tejidos al aumentar los niveles de hormonas promotoras del crecimiento. Este crecimiento está regulado por la enzima VAS1. Como se ve en la foto de la derecha, las plantas que carecen de VAS1 tienen una respuesta exagerada a la sombra.

Los investigadores posdoctorales de Salk Yongxia Guo (a la izquierda) y su esposo Zuyu
Zheng, examina las plantas de arabidopsis.

Fotos: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

“Los genes son los manuales de instrucciones sobre cómo las células construyen enzimas específicas en un camino, pero si tiene que esperar a que se produzcan muchas enzimas en el momento apropiado en el lugar correcto para producir varias hormonas esenciales, es una respuesta demasiado lenta a los cambios ambientales. como la luz”, dice el genetista Chory, presidente de la cátedra Howard H. y Maryam R. Newman en biología vegetal, “biológicamente tiene sentido que haya una forma más rápida y directa de coordinar y generar estos mensajes químicos”.

Si bien estos detalles pueden parecer abstractos, estos conocimientos bioquímicos básicos son fundamentales para el desarrollo de mejores cultivos y terapias para enfermedades, incluida la reproducción de plantas más adaptadas a entornos desafiantes y el descubrimiento de nuevos medicamentos, explica el bioquímico Noel, titular de la Arthur and Silla Julie Woodrow.

“Es esencial entender qué pasos toman los cuerpos, plantas o animales, para construir y procesar información química con el fin de producir más alimentos y tratar enfermedades metabólicas”, dice.

Los investigadores posdoctorales de Chory, Noel y Salk, Zuyu Zheng y Yongxia Guo, coautores del artículo, hicieron su descubrimiento al estudiar el berro thale (Arabidopsis thaliana), una planta pequeña con diminutas flores blancas que crece de forma silvestre en gran parte del mundo. . El berro de Thale se ha convertido en un modelo de investigación profundamente importante para los científicos que estudian la genética y el metabolismo, porque crece hasta la madurez en solo seis semanas y sus genes pueden probarse rápidamente para saber qué instrucciones le dan a la planta. Esto permite a los investigadores aprender rápidamente qué genes regulan la producción de proteínas y enzimas esenciales para el metabolismo. Esta información básica puede luego traducirse en mejores plantas de cultivo y tratamientos de enfermedades.

Cuando la parte superior de una planta está sombreada, dos partes diferentes de la planta ajustan rápidamente su tasa de crecimiento para que la planta pueda competir por la luz solar. El tallo o tronco de la planta crecerá rápidamente, a menudo en unas pocas horas, en un intento de evitar quedar atrapado en la sombra. Otra parte, el tejido conocido como "pecíolo", que conecta una hoja con el tallo, también se alarga cuando alcanza el sol. Juntos, estos dos órganos permiten que la planta lleve a cabo la fotosíntesis de manera más eficiente, lo que convierte la luz y el dióxido de carbono en alimentos que sustentan la vida.

El crecimiento de las dos partes está controlado por dos vías metabólicas diferentes que producen dos hormonas químicas muy distintas. El crecimiento del tallo es provocado por la hormona auxina, mientras que el crecimiento del pecíolo es estimulado por la hormona etileno. Nuestros propios cuerpos usan hormonas en vías de crecimiento similares, que siguen las mismas reglas metabólicas complicadas.

Zheng y Guo descubrieron que existe una enzima, llamada VAS1, que funciona como un canal entre las vías de la auxina y el etileno. Al igual que el Canal de Panamá, VAS1 no es simplemente un atajo entre dos vías, sino un mecanismo de puerta que regula estos dos niveles hormonales diferentes simultáneamente, asegurando que las diferentes partes de la planta crezcan de manera equilibrada y no fuera de control. Con VAS1 como puerta de entrada, no hay necesidad de esperar a que los genes se activen y desactiven para producir estas hormonas de manera coordinada.

Estas pequeñas plantas nos han dado una nueva forma de pensar sobre la coordinación del metabolismo en todas las especies, dice Chory. "La evolución es conservadora", explica, "si encuentra un mecanismo en un sistema, es muy probable que lo encuentre rápidamente en toda la naturaleza".

Noel está de acuerdo y agrega: "Hemos demostrado que es necesario repensar seriamente la sabiduría convencional sobre cómo se sincronizan los procesos metabólicos y cómo esta sincronización falla en la enfermedad".

Otros investigadores del estudio fueron: Xinhua Dai y Yunde Zhao, de la Universidad de California-San Diego; Ondrej Novak, de la Universidad Sueca de Ciencias Agrícolas, Umeå, Suecia, y la Universidad Palacky y la Academia de Ciencias de la República Checa, Olomouc, República Checa; y Karin Ljung, de la Universidad Sueca de Ciencias Agrícolas, Umeå, Suecia.

El trabajo fue apoyado por el Instituto Médico Howard Hughes, la Los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias, la Agencia de Subvenciones Internas de la Universidad de Palacky en la República Checa, la Agencia de Subvenciones de la Academia de Ciencias de la República Checa, la Agencia Gubernamental Sueca para Sistemas de Innovación y el Consejo Sueco de 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.