El descubrimiento de una proteína clave para la biosíntesis de esteroides en el sistema de defensa natural de las solanáceas podría mejorar las estrategias para controlar plagas como el escarabajo de la patata de Colorado y proporcionar ideas para la producción de moléculas de esteroides para combatir el cáncer en la medicina humana.
Investigadores del Instituto Max Planck de Ecología Química han identificado a GAME15 como una proteína clave que regula la biosíntesis de glicoalcaloides esteroides y saponinas esteroides en plantas del género Solanum , la familia de las solanáceas.
Un estudio publicado en la revista Science demuestra que esta proteína es esencial para la formación de estos productos naturales a partir del precursor colesterol. Las plantas de solanáceas ( Solanum nigrum ) , que ya no podían producir proteínas y, por tanto, saponinas esteroides, eran más susceptibles a insectos como los saltamontes y los escarabajos de la patata de Colorado.
Estos resultados abren nuevas perspectivas para la producción de moléculas de esteroides de alta calidad para uso médico y pueden contribuir al desarrollo de estrategias específicas de control de plagas.
La vía biosintética de compuestos esteroides específicos en las solanáceas (como las patatas, los tomates y las berenjenas) comienza con el colesterol. Varios estudios han examinado las enzimas implicadas en la formación de glicoalcaloides esteroides. Aunque se conocen los genes responsables de la producción de estructuras especializadas de metabolitos esteroides, aún no se ha logrado una reconstitución exitosa de estos compuestos en otras plantas.
El grupo de proyecto Especializado en Metabolismo de Esteroides en Plantas del Departamento de Biosíntesis de Productos Naturales, dirigido por Prashant Sonawane, actualmente profesor asistente en la Universidad de Missouri en Estados Unidos, se propuso encontrar la pieza que faltaba del rompecabezas.
“En nuestro proyecto de investigación queríamos especialmente descubrir qué componente importante de la vía biosintética ha permanecido oculto hasta ahora a la investigación y qué papel desempeña este gen o proteína en esta vía. También queríamos ver si podíamos reconstruir la vía biosintética una vez que se identificara el componente faltante. Un aspecto importante de nuestra investigación fue también aprender más sobre el papel ecológico de las saponinas esteroides en las plantas. Hemos identificado que GAME15 es un actor previamente desconocido pero importante en la biosíntesis de moléculas de esteroides en Solanum”, dice Prashant Sonawane, describiendo los objetivos del estudio.
El equipo de investigación utilizó la planta silvestre Solanum nigrum (solanácea negra) para el estudio porque produce diferentes compuestos esteroides en diferentes tejidos, todos los cuales provienen del mismo precursor, el colesterol.
En las hojas, el metabolito esteroide más importante es una saponina llamada uttrósido B, mientras que en las bayas los compuestos más importantes son los glicoalcaloides esteroides como la α-solasonina, la α-solamargina y la malonil-solamargina. Las enzimas GAME6, GAME8 y GAME11 participan en la formación de ambos tipos de compuestos y se encuentran tanto en las hojas como en las bayas.
Se ha utilizado microscopía confocal para determinar dónde se encuentran estas enzimas en las células. Mediante análisis bioquímicos y de biología molecular, los investigadores identificaron el gen responsable de una proteína llamada GAME15.
Aunque GAME15 pertenece a la familia de proteínas similares a la celulosa sintasa, no tiene ninguna función en la producción de celulosa. En cambio, es importante para la biosíntesis de compuestos esteroides, aunque no tiene una función catalítica como otras enzimas.
“Nuestros experimentos de interacción de proteínas mostraron que GAME15 interactúa con las enzimas GAME6, GAME8 y GAME11. Estas enzimas son responsables de los primeros pasos de la hidroxilación del colesterol, lo que conduce a la formación de furostanol aglicona (16,22,26-trihidroxicolesterol), un punto de ramificación clave entre la síntesis de saponinas esteroides y glicoalcaloides. Utilizando plantas de Solanum nigrum en las que se eliminó el gen GAME15, pudimos demostrar que estas plantas ya no son capaces de producir glicoalcaloides esteroides ni saponinas”, explica la primera autora Marianna Boccia, una de las principales conclusiones del estudio.
Las saponinas esteroides y los glicoalcaloides esteroides son grupos de compuestos con aplicaciones médicas prometedoras. Por ejemplo, investigaciones recientes muestran que algunas saponinas son muy efectivas en el tratamiento del cáncer de hígado. Los glicoalcaloides esteroides tienen propiedades anticancerígenas, así como actividades antimicrobianas y antiinflamatorias.
«Al identificar GAME15, pudimos reconstruir la ruta metabólica de los compuestos esteroides en huéspedes heterólogos como Nicotiana benthamiana , hasta el furostanol, el precursor de las saponinas esteroides, y la solasodina, el precursor inmediato de los glicoalcaloides esteroides», dice Prashant Sonawane.
La recuperación de compuestos de interés médico de las plantas se conoce como «pharming», una palabra derivada de las palabras «farmacéuticos» y «agricultura».
El pharming implica el uso de plantas genéticamente modificadas con una vía biosintética integrada para producir compuestos medicinales para la producción de medicamentos de manera rentable y a gran escala. Por tanto, los resultados del estudio abren oportunidades para mejorar la producción de importantes compuestos a base de esteroides.
Los glicoalcaloides esteroideos son conocidos como importantes sustancias fitosanitarias. Son compuestos tóxicos propios de las plantas de la familia de las solanáceas y se encuentran en las patatas, los tomates y las berenjenas. Sin embargo, su toxicidad en los cultivos se puede reducir significativamente limpiándolos, cociéndolos o fríelos.
En los tomates, los glicoalcaloides se destruyen durante la maduración, por lo que apenas se notan en los frutos rojos. Sin embargo, hasta ahora se desconocía el papel ecológico de las saponinas esteroides en las hojas de Solanum nigrum .
Una pista clave surgió del invernadero cuando los científicos notaron que las plantas knockout para GAME15, que no pueden producir saponinas, eran más susceptibles a los insectos herbívoros que las plantas de tipo salvaje. Intrigados por esta observación, los investigadores realizaron experimentos ecológicos en forma de pruebas de alimentación con dos plagas naturales de Solanum .
“En el primer experimento, a dos plagas que se alimentan de hojas, el saltamontes Empoasca decipiens y el escarabajo de la patata de Colorado Leptinotarsa decemlineata , se les dio la opción de elegir entre hojas de plantas de tipo silvestre (que producen saponinas esteroides) y hojas de plantas knockout para Game15 ( que no producen saponinas debido a la desactivación del gen GAME15), afirma Marianna Boccia. – Después de una semana, medimos los daños causados por los insectos. Los resultados mostraron claramente que ambas especies de herbívoros se alimentaban casi exclusivamente de hojas knockout, prefiriéndolas a las hojas de tipo salvaje. En el segundo experimento utilizamos un bioensayo con “alimentación forzada”, en particular con escarabajos de la patata de Colorado. En esta prueba, colocamos escarabajos individuales sin hojas de plantas silvestres o knockout. Después de sólo seis horas, los escarabajos se alimentaban fácilmente de hojas knockout que carecían de saponinas esteroides, mientras que evitaban en gran medida las hojas de tipo salvaje, aparentemente prefiriendo morir de hambre en lugar de alimentarse”.
Una posible explicación para los diferentes grupos de compuestos en hojas y bayas es que estos compuestos están especializados en proteger diferentes tejidos vegetales. Las hojas tienen más probabilidades de ser atacadas por herbívoros, mientras que las bayas son más susceptibles a los patógenos.
«Nuestros hallazgos muestran cómo las plantas de la familia de las solanáceas han adaptado una proteína similar a la celulosa sintasa de un papel importante en el metabolismo (como la biosíntesis de celulosa) a un papel estructural necesario para la biosíntesis de compuestos especializados para proteger a las plantas de los patógenos», dice Sarah. O’Connor, director del Departamento de Biosíntesis de Productos Naturales y autor principal del estudio.
Este trabajo, dicen los científicos, abre nuevas oportunidades para desarrollar cultivos con mayor resistencia a las plagas y para producir importantes compuestos a base de esteroides para combatir el cáncer y otras enfermedades en humanos.
Fuente: Sociedad Max Planck.
