Investigadores del Instituto Max Planck de Ecología Química han identificado a GAME15 como una proteína clave que regula la biosíntesis de glicoalcaloides esteroidales y saponinas esteroidales en plantas del género Solanum.
El estudio publicado en Science demuestra que la proteína es esencial para la formación de estos productos naturales a partir de un precursor del colesterol. Las plantas de solanáceas (Solanum nigrum) que ya no eran capaces de producir la proteína y, por lo tanto, las saponinas esteroidales eran más susceptibles a los ataques de insectos como las cigarras y los escarabajos de la patata.
Estos resultados abren nuevas perspectivas para la producción de moléculas esteroides de alta calidad para aplicaciones médicas y podrían respaldar estrategias específicas para controlar las plagas agrícolas.
La vía biosintética de compuestos esteroidales específicos en plantas solanáceas (como las papas, los tomates y las berenjenas) comienza con el colesterol. Varios estudios han investigado las enzimas involucradas en la formación de glicoalcaloides esteroidales.
Aunque se conocen los genes responsables de producir los andamiajes de metabolitos esteroides especializados, aún no se ha logrado reconstituir con éxito estos compuestos en otras plantas.
El grupo de proyecto «Metabolismo de esteroides especializados en plantas» del Departamento de Biosíntesis de Productos Naturales, dirigido por Prashant Sonawane, quien ahora es profesor adjunto en la Universidad de Missouri en EE. UU., se propuso encontrar la pieza faltante del rompecabezas.
«Con nuestro proyecto de investigación, queríamos en particular aclarar qué componente importante de la vía de biosíntesis había permanecido oculto hasta ahora a la investigación y qué papel desempeña este gen o proteína en la vía. También queríamos averiguar si podíamos reconstruir la vía biosintética después de identificar el componente faltante. Un aspecto importante de nuestro estudio también fue averiguar más sobre el papel ecológico de las saponinas esteroidales en las plantas», explica Prashant Sonawane, describiendo las preguntas del estudio.
GAME15: un actor desconocido pero crucial en la biosíntesis de moléculas esteroides en Solanum
El equipo de investigación utilizó la planta silvestre Solanum nigrum (hierba mora) para los estudios porque produce diferentes compuestos esteroides en diferentes tejidos, todos los cuales se derivan del mismo precursor, el colesterol.
En las hojas, el metabolito esteroide más importante es una saponina llamada utrosido 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 están implicadas en la formación de ambos tipos de compuestos y se encuentran tanto en las hojas como en las bayas.
Se utilizó la microscopía confocal para determinar dónde se encuentran estas enzimas en las células. A través de análisis bioquímicos y de biología molecular, los investigadores identificaron un 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 esteroidales, 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 en 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 esteroidales y glicoalcaloides.
«Utilizando plantas de Solanum nigrum en las que se eliminó el gen GAME15, pudimos demostrar que estas plantas ya no eran capaces de producir glicoalcaloides esteroides y saponinas», explica la primera autora Marianna Boccia, uno de los principales hallazgos del estudio.
Los compuestos esteroides de Solanum tienen un gran potencial para aplicaciones médicas
Las saponinas esteroides y los glicoalcaloides esteroides son grupos de compuestos con aplicaciones médicas prometedoras. Por ejemplo, estudios recientes muestran que ciertas saponinas son muy eficaces en el tratamiento del cáncer de hígado. Los glicoalcaloides esteroides también tienen propiedades anticancerígenas, así como actividades antimicrobianas y antiinflamatorias.
«Al identificar GAME15, pudimos reconstituir la vía metabólica de los compuestos esteroides en huéspedes heterólogos como Nicotiana benthamiana, hasta el andamio furostanol, un precursor de las saponinas esteroides, y la solasodina, un precursor inmediato de los glicoalcaloides esteroides», afirma Prashant Sonawane.
La reconstitución de compuestos de interés médico en plantas como Nicotiana benthamiana también se conoce como «pharming», un acrónimo de «farmacia» y «agricultura».
El uso de plantas modificadas genéticamente con una vía biosintética integrada para la producción de compuestos médicos permite producir medicamentos de forma rentable y a gran escala. Por lo tanto, los resultados del estudio abren posibilidades para mejorar la producción de importantes compuestos basados en esteroides.
Primera evidencia del papel ecológico de las saponinas en la defensa contra los herbívoros
Se sabe que los glicoalcaloides esteroides son importantes sustancias de defensa para las plantas. Son compuestos tóxicos típicos de las solanáceas y también se encuentran en las patatas, los tomates y las berenjenas. Sin embargo, su toxicidad se puede reducir significativamente en los cultivos al pelarlos, cocinarlos o freírlos.
En los tomates, los glicoalcaloides se descomponen durante la maduración, por lo que apenas son detectables en el fruto rojo. Sin embargo, hasta ahora se desconocía el papel ecológico de las saponinas esteroidales en las hojas de Solanum nigrum.
Una pista clave provino del equipo del invernadero, que observó que las plantas con GAME15 knockout, que no pueden producir saponinas, eran más susceptibles a los insectos herbívoros que las plantas de tipo silvestre. Intrigados por esta observación, los investigadores llevaron a cabo experimentos ecológicos en forma de ensayos de alimentación con dos plagas naturales de Solanum.
«En un primer experimento, a dos herbívoros, el cicadélido Empoasca decipiens y el escarabajo de la patata Leptinotarsa decemlineata, se les dio a elegir entre hojas de plantas de tipo silvestre (que producen saponinas esteroides) y hojas de plantas knockout Game15 (que no producen saponinas debido a la eliminación del gen GAME15)», dice Marianna Boccia.
«Después de una semana, medimos los daños causados por los insectos. Los resultados mostraron claramente que ambas especies herbívoras se alimentaban casi exclusivamente de las hojas eliminadas, mostrando una preferencia por ellas sobre las hojas de tipo salvaje. En un segundo experimento, utilizamos un bioensayo de ‘alimentación forzada’, específicamente con escarabajos de la patata.
«En esta prueba, colocamos escarabajos individuales con hojas desprendidas de plantas de tipo salvaje o knockout. Después de sólo seis horas, los escarabajos se alimentaron fácilmente de las hojas knockout que carecían de saponinas esteroides, mientras que evitaron en gran medida las hojas de tipo salvaje, aparentemente prefiriendo morir de hambre en lugar de alimentarse», agregó Boccia, describiendo la primera evidencia del papel de las saponinas esteroides en la defensa de las plantas.
Una posible explicación de los diferentes grupos de compuestos presentes en las hojas y las bayas es que estos compuestos están especializados para proteger distintos tejidos vegetales. Las hojas tienen más probabilidades de ser atacadas por herbívoros, mientras que las bayas son más susceptibles a los patógenos.
«Nuestros descubrimientos resaltan cómo las plantas Solanaceae han adaptado una proteína similar a la celulosa sintasa secuestrada de una función metabólica central (como la biosíntesis de celulosa) a una función estructural, necesaria para la biosíntesis de compuestos especializados en la defensa de las plantas contra patógenos», dice Sarah O’Connor, directora del Departamento de Biosíntesis de Productos Naturales y autora principal del estudio.
«Este descubrimiento abre nuevas oportunidades para la ingeniería de cultivos con mayor resistencia a las plagas y para la producción de importantes compuestos basados en esteroides para combatir el cáncer y otras enfermedades».
Más información: Marianna Boccia et al, Una proteína de andamiaje gestiona la biosíntesis de metabolitos de defensa esteroideos en plantas, Science (2024). DOI: 10.1126/science.ado3409 . www.science.org/doi/10.1126/science.ado3409
