Un interruptor para encender y apagar las fragancias

Un interruptor para encender y apagar las fragancias

Los investigadores descubren la clave para la producción masiva de compuestos vegetales beneficiosos

LA JOLLA—Científicos del Instituto Salk y la Universidad de Purdue han descubierto el interruptor en las plantas que apaga la producción de terpenoides, compuestos ricos en carbono que juegan un papel en la fisiología de las plantas y son utilizados por los humanos en todo, desde fragancias y saborizantes hasta biocombustibles y productos farmacéuticos.

Los terpenoides de plantas se encuentran en suplementos nutricionales, insecticidas naturales y medicamentos utilizados para tratar la malaria y el cáncer. El medicamento de quimioterapia Taxol, que se usa para tratar el cáncer de mama, ovario, pulmón, vejiga y próstata, es un terpenoide vegetal. Pero las plantas a menudo los producen en cantidades tan bajas que extraerlos para tales usos es costoso y, a menudo, poco práctico.

Los hallazgos fueron publicados en la revista Nature Plants de agosto 20, 2018.

“Hace varios años, mi laboratorio descubrió una nueva enzima que se encuentra en todas las plantas llamada isopentenil fosfato quinasa (IPK) que regula el flujo y reflujo de moléculas vivas basadas en carbono llamadas terpenoides. Como suele ser el caso en la ciencia, primero descubrimos el papel de esta enzima en organismos completamente diferentes, bacterias y un grupo de vida muy antiguo llamado Archaea”, dice el profesor. José P. Noel, director del Centro de Biología y Proteómica Jack H. Skirball de Salk, investigador del Instituto Médico Howard Hughes y coautor del artículo. “Al dilucidar la estructura tridimensional y la química de esta enzima reportada en ACS Chemical Biology y ELIFE en 2010 y 2013, respectivamente, revelamos que un gen previamente desconocido que se encuentra en todas las plantas codifica la misma enzima que se descubrió originalmente en los microbios”.

Debido a que los terpenoides consumen cantidades considerables de carbono y energía en las plantas, se reconoció que su formación debe estar bajo estricto control para que se produzcan solo cuando sean importantes para la bacteria o la planta huésped.

Para el artículo, el laboratorio de Noel se asoció con el laboratorio del coautor correspondiente. natalia dudareva, profesor distinguido de Purdue en la Departamento de Bioquímica e investigador en el Centro Purdue de Biología Vegetal, para desentrañar cómo las plantas activan y desactivan las vías metabólicas que controlan el flujo y reflujo de la producción de terpenoides mediante la regulación de la disponibilidad de sus materiales químicos de partida.

El equipo de Salk-Purdue había determinado anteriormente cómo las plantas activan la producción de terpenoides, pero comprender tanto el "encendido" como el "apagado", los interruptores del yin y el yang, así como los cuellos de botella del flujo, son esenciales para comprender y, en última instancia, ajustar. aumentar el rendimiento de terpenoides.

"Este es un conocimiento básico importante que abre nuevos objetivos para la ingeniería de vías metabólicas de terpenoides", dice Dudareva. “Las plantas ya producen estos compuestos, pero las cantidades son pequeñas. Es posible que se hayan necesitado cientos o miles de plantas para obtener suficiente compuesto para usarlo en algo así como un producto farmacéutico. Este nuevo conjunto de descubrimientos inesperados conducirá a formas más rápidas y eficientes de obtener cantidades suficientes de estos productos para el beneficio de los humanos”.

Los IPK convierten grupos químicos de bloques de construcción de terpenoides de monofosfato inerte en bloques de construcción de difosfato de fácil uso. Utilizando un enfoque múltiple que incluye biología estructural, bioquímica, genética vegetal y biología sintética, el equipo de investigación determinó que dos enzimas Nudix eran los eslabones perdidos responsables de la eliminación de un grupo fosfato para devolver los difosfatos terpenoides activos al conjunto inerte de terpenoides. monofosfatos

“La familia de enzimas hidrolasas de Nudix se conserva en todos los organismos, pero sus funciones biológicas son en gran parte indefinidas. Aquí descubrimos una función inesperada y nueva para los miembros de esta familia en las plantas”, comenta la coautora Suzanne Thomas, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Noel.

"Hemos demostrado que IPK y Nudix están trabajando juntos para regular la formación de productos terpenoides aguas abajo", dice la coautora Laura Henry, una recién graduada de doctorado del laboratorio de Dudareva que ahora es química analítica para Heritage Research Group. “Algunos de estos productos pueden ser tóxicos para las plantas si las plantas los consumen en exceso. Así es como las plantas regulan su producción”.

Otros autores incluyeron a Joshua R. Widhalm, Joseph H. Lynch, Thomas C. Davis y Sharon A. Kessler de Purdue; y Jörg Bohlmann de la Universidad de Columbia Británica.

El trabajo fue financiado por el Instituto Nacional de Alimentación y Agricultura del USDA, la Universidad de Purdue, el Instituto Médico Howard Hughes y la Cátedra Arthur y Julie Woodrow del Instituto Salk.