Una colaboración multiinstitucional ha revelado que la α-solanina, un compuesto tóxico que se encuentra en las plantas de papa, es divergente de la α-tomatina de sabor amargo, que se encuentra en las plantas de tomate.
El grupo de investigación incluyó al profesor asociado Mizutani Masaharu y al investigador Akiyama Ryota et al. de la Escuela de Graduados en Ciencias Agrícolas de la Universidad de Kobe, el profesor asistente Watanabe Bunta del Instituto de Investigación Química de la Universidad de Kyoto, el investigador científico principal Umemoto Naoyuki del Centro RIKEN para la Ciencia de Recursos Sostenibles y el profesor Muranaka Toshiya de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Osaka.
Se espera que los resultados de esta investigación puedan utilizarse en el mejoramiento de la papa como base para suprimir la síntesis de compuestos venenosos.
Puntos principales
- La α-solanina es un glicoalcaloide esteroide tóxico (SGA) que se encuentra en las patatas.
- La α-tomatina del tomate es un SGA de sabor astringente que se acumula dentro de los frutos inmaduros.
- Según sus estructuras químicas, los SGA se pueden dividir en dos clases generales, solanidanos, por ejemplo, α-solanina y espirosolanos, por ejemplo, α-tomatina.
- El grupo de investigación reveló que la α-solanina tóxica presente en las patatas se biosintetiza a partir del espirosolano.
- Descubrieron que la dioxigenasa DPS es la enzima clave para esta conversión catalítica.
- También se reveló que la ruta de biosíntesis de α-solanina en patatas divergía de la ruta de biosíntesis de espirosolano debido a la evolución de DPS.
Antecedentes de la investigación
La α-solanina es un tipo de glicoalcaloide esteroide tóxico (SGA), que se acumula en la piel verde de los tubérculos de patata y en los brotes de los tubérculos. El SGA no sólo se encuentra en las patatas sino también en otras plantas de la familia de las solanáceas, incluidos cultivos como los tomates y las berenjenas. Estas sustancias son venenosas para muchos seres vivos y sirven como una de las defensas naturales de las plantas. Bajas concentraciones de SGA en las patatas provocan un sabor amargo y cantidades mayores pueden provocar intoxicación alimentaria. Por este motivo, se han realizado investigaciones sobre biosíntesis con el objetivo de controlar la acumulación de SGA en la patata.
Según sus estructuras químicas esqueléticas, los SGA se pueden dividir en dos clases generales, solanidanos y espirosolanos. La toxina α-solanina de la papa es un ejemplo de solanidano, mientras que la α-tomatina, que se acumula dentro de los tomates verdes, es un espirosolano. Se sabe que ambas clases de SGA se biosintetizan a partir del colesterol. Hasta ahora, se han descubierto varios genes que codifican las enzimas catalíticas en la biosíntesis de SGA y las plantas de papa y tomate comparten estas enzimas en la vía común de la biosíntesis de SGA. Sin embargo, los pasos y las enzimas implicadas en la bifurcación metabólica entre la formación del esqueleto de solanidano y del esqueleto de espirosolano siguen siendo un misterio sin resolver.
Este grupo de investigación demostró que la toxina α-solanina de la papa se biosintetiza a partir de espirosolano. Por primera vez en el mundo, descubrieron que la dioxigenasa DPS es la clave para esta conversión.
Resultados de la investigación
Las patatas contienen los solanidanos tóxicos α-solanina y α-chaconina. El grupo de investigación investigó la vía de biosíntesis de α-solanina en plantas de patata . Mediante la edición del genoma, alteraron el gen de la enzima biosintética en la papa para que fuera incapaz de producir α-solanina. La alimentación del disruptor con α-tomatina (un espirosolano que se encuentra en los tomates) dio como resultado una conversión metabólica al correspondiente compuesto de solanidano. Además, se encontró que esta alteración metabólica podría suprimirse con un inhibidor de la dioxigenasa dependiente de 2-oxoglutarato, revelando que una dioxigenasa es responsable de la reacción de oxidación que sintetiza los solanidanos a partir de espirosolanos.
Los investigadores destacaron un gen de dioxigenasa dependiente de 2-oxoglutarato (DPS) que se expresaba en la patata durante la síntesis de α-solanina. Para investigar esto más a fondo, los investigadores generaron plantas modificadas en las que la expresión del gen DPS se suprimió mediante interferencia de ARN. Las concentraciones de solanidano en estas plantas de papa modificadas fueron mucho más bajas que en el grupo no modificado, y los espirosolanos se acumularon dentro de las plantas en lugar de solanidanos. A continuación, los investigadores midieron la actividad enzimática del DPS recombinando las proteínas y expresándolas en E. coli. Los resultados revelaron el papel catalítico único del DPS en la conversión de espirosolano en solanidano. Esto demostró que el DPS es la enzima clave responsable de esta conversión.
Esta investigación reveló que la capacidad de la papa para producir α-solanina se debió a la evolución del DPS, que es responsable de convertir metabólicamente los espirosolanos (por ejemplo, α-tomatina) en solanidanos. Se sabe que los tomates también tienen una enzima para metabolizar los espirosolanos. La α-tomatina de sabor amargo se encuentra en los tomates verdes, pero se metaboliza en el esculeosido A, insípido y no tóxico, a medida que los frutos maduran. El catalizador de esta reacción es 23DOX, que también es una dioxigenasa.
A partir de la relación entre sus posiciones cromosómicas y el análisis filogenético, se reveló que la α-solanina biosintasa DPS ha evolucionado a partir del mismo gen precursor que la enzima catalítica 23DOX de la α-tomatina no tóxica. Por tanto, se cree que la evolución del gen de la dioxigenasa que metaboliza los espirosolanos es uno de los principales impulsores del desarrollo de la variación estructural y funcional en los ASG.
Nuevos desarrollos
Las patatas han sido consideradas un alimento potencialmente peligroso porque grandes concentraciones de α-solanina tóxica pueden provocar intoxicación alimentaria. Se espera que los resultados de esta investigación puedan proporcionar una base para futuras variedades de papa en las que se suprima la biosíntesis de compuestos tóxicos al atacar el gen DPS.
Como se muestra en esta investigación, los orígenes evolutivos de la diversidad estructural de los SGA proporcionan pistas para descubrir enzimas de síntesis de SGA desconocidas implicadas en funciones biológicas en varias plantas. Iluminar estas funciones podría allanar el camino para el mejoramiento molecular de variedades de plantas que sean capaces de adaptarse a diferentes entornos estresantes.
Más información: Ryota Akiyama et al, La vía biosintética de los solanidanos de patata divergió de la de los espirosolanos debido a la evolución de una dioxigenasa, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-21546-0
