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La toxina en las papas evolucionó a partir de un compuesto de sabor amargo en los tomates

La toxina en las papas evolucionó a partir de un compuesto de sabor amargo en los tomates
Las estructuras químicas de los SGA que se encuentran en los tomates y las patatas. Crédito: Ryota Akiyama / Masaharu Mizutani

Una colaboración multiinstitucional ha revelado que la α-solanina, un compuesto tóxico que se encuentra en las plantas de papa, es un divergente de la α-tomatina de sabor amargo, que se encuentra en las plantas de tomate. 


por la Universidad de Kobe


El grupo de investigación incluyó al profesor asociado Mizutani Masaharu y al investigador Akiyama Ryota et al. de la Escuela de Graduados de Ciencias Agrícolas de la Universidad de Kobe, el Profesor Asistente Watanabe Bunta del Instituto de Investigación Química de la Universidad de Kioto, el Científico Investigador Principal Umemoto Naoyuki del Centro RIKEN para la Ciencia de los Recursos Sostenibles y el Profesor Muranaka Toshiya de la Escuela de Graduados de Ingeniería de la Universidad de Osaka.

Se espera que estos resultados de investigación se puedan utilizar en el mejoramiento de la papa como base para suprimir la sintetización de compuestos venenosos.

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Los resultados de esta investigación se publicaron en la revista académica internacional Nature Communications el 26 de febrero.

Puntos principales

  • La α-solanina es un glicoalcaloide esteroide tóxico (SGA) que se encuentra en las patatas.
  • La α-tomatina del tomate es SGA de sabor astringente que se acumula dentro de las frutas inmaduras.
  • Basándose en 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 de 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 vía de biosíntesis de α-solanina en patatas se separó de la vía 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 papa y en los brotes de tubérculos. SGA no solo se encuentra en las papas, sino también en otras plantas de la familia de las solanáceas, incluidos cultivos como tomates y berenjenas. Estas sustancias son venenosas para muchos seres vivos y sirven como una de las defensas naturales de las plantas. Las bajas concentraciones de SGA en las papas causan un sabor amargo y cantidades mayores pueden causar intoxicación alimentaria. Por este motivo, se han realizado investigaciones de biosíntesis con el objetivo de controlar la acumulación de SGA en patatas.

La toxina en las papas evolucionó a partir de un compuesto de sabor amargo en los tomates
El grupo de investigación descubrió que la enzima DPS es un catalizador de esta reacción (indicada por la flecha roja). Crédito: Ryota Akiyama / Masaharu Mizutani

Según sus estructuras químicas esqueléticas, los SGA se pueden dividir en dos clases generales, solanidanos y espirosolanos. La toxina de la patata α-solanina es un ejemplo de un 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 biosíntesis de SGA. Sin embargo, los pasos y enzimas involucrados en el punto de ramificación metabólico entre el esqueleto de solanidano y la formación del esqueleto de espirosolano siguen siendo un misterio sin resolver.

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Este grupo de investigación demostró que la toxina α-solanina de la papa se biosintetiza a partir del 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 papa . Mediante la edición del genoma, alteraron el gen de la enzima biosintética en la papa para que no pudiera producir α-solanina. La alimentación de α-tomatina (un espirosolano que se encuentra en los tomates) al disruptor resultó en una conversión metabólica al correspondiente compuesto de solanidano. Además, se encontró que esta alteración metabólica podría suprimirse con un inhibidor de 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 señalaron un gen de dioxigenasa dependiente de 2-oxoglutarato (DPS) que se expresó en la papa 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 a través de la interferencia del ARN. Las concentraciones de solanidano en estas plantas de papa modificadas fueron mucho más bajas que en el grupo sin modificar, y los espirosolanos se acumularon dentro de las plantas en lugar de los solanidanos. A continuación, los investigadores midieron la actividad enzimática de DPS recombinando las proteínas y expresándolas en E. coli. Los resultados revelaron el papel catalítico único del DPS en la conversión del 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 (p. Ej., 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 tomates verdes, pero se metaboliza en esculeósido A, insípido y no tóxico, a medida que maduran los frutos. El catalizador de esta reacción es 23DOX, que también es una dioxigenasa.

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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 no tóxica de α-tomatina 23DOX. 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 SGA.

La toxina en las papas evolucionó a partir de un compuesto de sabor amargo en los tomates
Reacciones metabólicas del espirosolano en tomates y patatas. Crédito: Ryota Akiyama / Masaharu Mizutani

Nuevos desarrollos

Las patatas se han denominado un alimento potencialmente peligroso porque grandes concentraciones de α-solanina tóxica pueden causar intoxicación alimentaria. Se espera que estos resultados de investigación puedan proporcionar una base para futuras variedades de papa en las que se suprima la biosíntesis de compuestos tóxicos al dirigirse al gen DPS.

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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 involucradas en funciones biológicas en varias plantas. Iluminar estas funciones podría allanar el camino para la reproducción molecular de variedades de plantas que sean capaces de adaptarse a diferentes entornos estresantes.




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