De todos modos, ¿cómo producen las plantas esas sustancias picantes? El Instituto Leibniz de Bioquímica Vegetal (IPB) está trabajando intensamente en este tema.
por Sylvia Pieplow, Institut für Pflanzenbiochemie
Recientemente, un grupo de científicos dirigido por el Dr. Thomas Vogt ha identificado la enzima crucial que le da a los frutos de la planta de pimiento (Piper nigrum) el sabor distintivo y picante.
La enzima en cuestión, la piperina sintasa, cataliza el paso final hacia la biosíntesis de piperina picante. Ahora, los bioquímicos han seguido con un segundo compuesto picante al arrojar más luz sobre cómo se biosintetiza la capsaicina de los chiles (Capsicum spec.). Su grupo de investigación describe por primera vez la actividad enzimática de la capsaicina sintasa buscada durante mucho tiempo. La enzima es lo que cataliza el paso de reacción final cuando una planta produce capsaicina.
Cuando la piperina y la capsaicina entran en contacto con la lengua y las membranas mucosas , se unen al receptor exacto que también reacciona al calor, los ácidos o las lesiones. Este receptor luego desencadena un estímulo en ciertas células nerviosas, que los humanos perciben como picante. La capsaicina y la piperina también tienen efectos antimicrobianos, digestivos y circulatorios.
Por lo tanto, además de condimentar los platos, también son muy prometedores como ingredientes activos para aplicaciones médicas. “La literatura reciente incluye cientos de estudios sobre los efectos biológicos de los extractos de pimienta y chile, pero muy pocos cubren cómo se biosintetizan realmente las sustancias picantes”, explica Thomas Vogt, quien dirige el grupo de investigación de Metabolismo del Fenilpropano en el IPB.
Una razón puede ser la combinación especial de experiencia requerida para dilucidar las vías biosintéticas de una planta, que rara vez se evidencia, excepto en algunos institutos de investigación. Idealmente, los químicos, bioquímicos y bioinformáticos unen sus fuerzas para acercarse al puñado de enzimas candidatas involucradas en la producción de una sustancia buscada. Lo que complica la búsqueda de las enzimas es el hecho de que todavía se desconocen numerosos genes y enzimas en ciertas especies de plantas .
“Quiero decir aquí”, dice Thomas Vogt, “no tienes mucho margen para consultar las bases de datos”.
En lo que respecta a la pimienta, además de esta falta de datos, también surgieron otros problemas. Por ejemplo, los científicos de Halle primero tuvieron que cultivar plantas de pimiento y luego, pase lo que pase, asegurarse de que dieran frutos. “Eso no es un hecho con la pimienta, que crece en un invernadero”, explica el bioquímico, “pero los jardineros del Instituto lo lograron”.
Habiendo cultivado con éxito las plantas, el equipo de investigación pudo cosechar bayas de pimiento en varias etapas de madurez durante un período de tres meses y observar de cerca cómo aumentaba constantemente su contenido de piperina. Según los científicos, las bayas en maduración también deberían contener las enzimas que forman la piperina. Las hojas de la planta, por el contrario, no deben contener las enzimas de piperina biosintetizadas, porque no producen piperina y, por lo tanto, no tienen un sabor picante.
Los científicos explotaron estas diferencias en el contenido de piperina, es decir, cuando las enzimas de biosíntesis de piperina estaban presentes y ausentes, respectivamente. Tomando la premisa de que una enzima está presente en ciertos tejidos solo cuando su gen se activa y se lee, compararon las actividades de los genes en hojas y frutos en diferentes etapas de madurez (madurez).
Al hacerlo, allanaron el camino para identificar aquellos genes que eran particularmente activos en la fruta inmadura, incluido el gen específico de la piperina sintasa. Luego, este gen se introdujo en los microorganismos, donde sirvió como plantilla para que las bacterias produjeran la enzima piperina sintasa. Todo lo cual permitió a los expertos en pimienta de Halle demostrar sin lugar a dudas que la enzima aislada cataliza la fusión de las dos sustancias iniciales piperoil-CoA y piperidina para formar piperina.
De este modo se logró la confirmación de la piperina sintasa largamente buscada.
Pero la tarea de descubrir la capsaicina sintasa trajo consigo otros problemas. Aquí, aunque el gen codificador ya había sido identificado, ningún científico había producido con éxito una proteína enzimáticamente activa a partir de él en bacterias. En otras palabras, la prueba irrefutable de que el gen investigado era la capsaicina sintasa seguía pendiente.
A pesar de esto, los investigadores de plantas de Halle aprovecharon su experiencia mientras trabajaban en la enzima de la pimienta relativamente similar para aislar la capsaicina sintasa y demostrar en la prueba de actividad final que efectivamente catalizó la reacción postulada durante mucho tiempo de las dos sustancias iniciales, 8-metil- 6-nonenoil-CoA y vanilloilamina a capsaicina.
Estas pruebas finales de actividad para la piperina y la capsaicina sintasa se lograron en parte porque los químicos de síntesis del Instituto pudieron producir todos los materiales de partida ellos mismos, a pesar de que aún no estaban disponibles para la compra, y los usaron según se requería durante las pruebas enzimáticas.
Con los principales pasos de reacción de la biosíntesis de piperina y la biosíntesis de capsaicina ahora dilucidados, permanece la perspectiva de comprender completamente ambas vías biosintéticas en algún momento. Pero, ¿por qué este descubrimiento cambia las reglas del juego? Una vez que conoce todas las enzimas involucradas en un proceso de biosíntesis, puede introducir los genes apropiados en los microorganismos y hacer que produzcan el ingrediente activo deseado.
“Para la pimienta, sin embargo, no tendría sentido económicamente”, dice Thomas Vogt, “porque la piperina está presente en las bayas de pimienta en concentraciones tan altas que sería fácil aislarla, por ejemplo, con fines medicinales”.
Aun así, los científicos del IPB encuentran gratificante la tarea de dilucidar las vías biosintéticas, ya que las enzimas recién descubiertas catalizan reacciones interesantes que generan productos de reacción con estructuras complicadas. Estas enzimas pueden ser modificadas por bioquímicos para crear enzimas completamente nuevas con las propiedades deseadas.
Una vez optimizadas, estas enzimas se utilizan para sintetizar sustancias nuevas y potencialmente eficaces en el tubo de ensayo. Este tipo de síntesis biocatalítica, es decir, imitar y optimizar la biosíntesis original de la planta en el tubo de ensayo, tiene un gran potencial en el futuro como un campo de investigación relativamente joven. Como alternativa a las síntesis petroquímicas, la biocatálisis puede generar sustancias deseadas sin requerir el uso de catalizadores y solventes tóxicos y sin generar subproductos dañinos.
El trabajo se basa en artículos publicados en Communications Biology and Molecules .
Más información: Arianne Schnabel et al, Identificación y caracterización de piperina sintasa de pimienta negra, Piper nigrum L., Communications Biology (2021). DOI: 10.1038/s42003-021-01967-9
Raika Milde et al, La síntesis química de trans 8-metil-6-nonenoil-CoA y la expresión funcional revelan la actividad de la capsaicina sintasa codificada por el locus Pun1, Molecules (2022). DOI: 10.3390/moléculas27206878
