En un descubrimiento que se llevó a cabo durante tres décadas, los científicos de Rutgers y el Laboratorio Nacional de Brookhaven han adquirido conocimiento detallado sobre las estructuras internas y el modo de regulación de una proteína especializada y están procediendo a desarrollar herramientas que puedan aprovechar su capacidad para ayudar a las plantas a combatir una amplia gama de enfermedades.
Se espera que el trabajo, que explota un proceso natural en el que las células vegetales mueren a propósito para ayudar a la planta huésped a mantenerse sana, tenga amplias aplicaciones en el sector agrícola, ofreciendo nuevas formas de proteger los principales cultivos alimentarios de una variedad de enfermedades devastadoras, dijeron los científicos.
En un estudio publicado en Nature Communications, un equipo dirigido por Eric Lam de la Universidad Rutgers-New Brunswick y Qun Liu del Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York informó que técnicas avanzadas de cristalografía y modelado computacional les han permitido obtener la mejor imagen hasta ahora de una proteasa vegetal fundamental, una enzima proteica que corta otras proteínas, conocida como metacaspasa 9.
«Comprender la forma y el modo de activación de la metacaspasa 9 significa que ahora podemos diseñar herramientas largamente buscadas para aprovechar sus funciones biológicas conocidas para proteger a las plantas de enfermedades y estreses ambientales que podrían diezmar los cultivos», dijo Liu, biólogo estructural del Departamento de Biología de Brookhaven.
El equipo ya ha comenzado. Lam y Liu han solicitado una patente provisional ante la Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos sobre tecnologías que pueden desarrollarse a partir del descubrimiento.
«Este trabajo podría marcar el comienzo de tratamientos mucho más seguros y efectivos para nuestros cultivos en todo el mundo», dijo Lam, profesor distinguido del Departamento de Biología Vegetal de la Escuela de Ciencias Ambientales y Biológicas de Rutgers y autor del estudio.
Utilizando Arabidopsis thaliana, una planta muy estudiada también conocida como berro oreja de ratón, los investigadores emplearon un método conocido como cristalografía de rayos X en la Fuente de Luz Sincrotrón Nacional II (NSLS-II) de Brookhaven para revelar la forma de la metacaspasa 9 a nivel atómico.
Sabiendo por investigaciones anteriores que la enzima se activa con el aumento de acidez, observaron y registraron cómo la enzima cambia de forma cuando se expone a diferentes concentraciones de ácido para revelar los cambios clave en la proteína durante su activación.
Su nueva y compleja comprensión combina datos cristalográficos con simulaciones de dinámica molecular, también realizadas en Brookhaven. Este método informático les permitió observar el comportamiento y los cambios de la enzima en diferentes condiciones.
El equipo también realizó experimentos de laboratorio, incluida mutagénesis específica del sitio, una técnica utilizada por los científicos para realizar cambios precisos en una parte específica de una secuencia de ADN y validar la importancia de partes específicas de la proteína que son necesarias para su actividad.
Al integrar este conocimiento, los investigadores descubrieron que diferentes partes de la enzima actúan como frenos o aceleradores para garantizar que solo estará activa a un pH ácido.
Lam y su equipo han colaborado con Liu y su equipo de Brookhaven durante una década en busca de una mejor comprensión de la enzima junto con una versión relacionada, la metacaspasa 4. Lam ha estudiado el proceso central del papel fundamental de la enzima en la salud de las plantas (un fenómeno conocido como muerte celular programada o suicidio celular) durante los últimos 30 años.
La muerte celular programada es un proceso en el que las células mueren intencionalmente como parte de un mecanismo natural y controlado, explicó Lam. Es la forma en que la célula se suicida por el bien del organismo. El proceso ayuda a eliminar células dañadas o innecesarias, permitiendo que el organismo se mantenga sano y se desarrolle adecuadamente. En las plantas, la muerte celular programada es crucial para combatir enfermedades y responder al estrés.
El trabajo de otros investigadores ha demostrado que la metacaspasa 9, que existe en las plantas pero no en los animales, está relacionada con la muerte celular programada y tiene una participación central en dos tipos principales de agentes causantes de enfermedades en las plantas.
En el caso de los biótrofos, organismos que se alimentan de células vivas, la metacaspasa 9 ayuda a destruir las células infectadas para detener la enfermedad. Sin embargo, en el caso de los necrótrofos, organismos que destruyen las células vegetales antes de comérselas, la metacaspasa 9 se desvía para destruir las propias células de la planta con mayor rapidez, lo que favorece a los invasores.
Los investigadores argumentan que fortalecer la metacaspasa 9 podría prevenir enfermedades biotróficas. Por el contrario, bloquear su función implica que la enzima no ayudará a los necrótrofos a destruir células sanas.
Un ejemplo de biótrofo es el oomiceto parecido a un hongo Phytophthora infestans, que causó la plaga de la papa en Irlanda y la hambruna que siguió a mediados del siglo XIX.
«Para muchas enfermedades de las plantas, especialmente las causadas por hongos, las opciones de tratamiento fungicida eficaces son escasas y, en muchos casos, las preocupaciones ambientales son bastante graves», afirmó Lam. «Al crear versiones hiperactivas de la metacaspasa 9, podemos proteger a las plantas de estos biótrofos al provocar la muerte celular en el sitio de invasión de forma precoz, interrumpiendo así su suministro de alimento».
El equipo de investigación ha hecho exactamente eso, creando lo que Lam describió como «variantes súper activas» de la enzima que pueden ser producidas por los genes de las plantas cuando se las estimula para que lo hagan y que podrían proporcionar nuevas características de resistencia a una serie de enfermedades importantes, como el mildiú polvoroso y las royas.
La grave enfermedad vegetal conocida como moho blanco es causada por el hongo patógeno necrotrófico Sclerotinia sclerotiorum, que puede infectar numerosos cultivos. Es una de las enfermedades causadas por hongos patógenos que pueden causar pérdidas anuales de entre el 10 % y el 20 % de la producción total de los cultivos. Esto se traduce en pérdidas financieras de entre 100 000 y 200 000 millones de dólares anuales para la agricultura, según estadísticas del Departamento de Agricultura de Estados Unidos.
«Para combatir los organismos necrótrofos que destruyen células para alimentarse de ellas, comprender cómo cambia la metacaspasa 9 a nivel molecular puede ayudarnos a crear nuevos agroquímicos que bloqueen esta enzima eficazmente sin dañar a los animales ni al medio ambiente», afirmó Lam. «Podrían utilizarse en la agricultura para detener el crecimiento de necrótrofos dañinos, lo que daría lugar a tratamientos más seguros y eficaces para los cultivos en todo el mundo».
Otros investigadores de Rutgers que contribuyeron a este estudio incluyen a Zhili Pang, asociado postdoctoral en el Departamento de Biología Vegetal de la Facultad de Ciencias Ambientales y Biológicas.
Haijiao Liu, del Laboratorio Nacional de Brookhaven, y Max Henderson, de la Universidad de Stony Brook en Nueva York, estudiantes de posgrado que trabajaron bajo la supervisión de Liu, son los coautores principales del artículo. Qinfang Zhang, de la Universidad de Stony Brook, también contribuyó a este estudio.
Más información: Haijiao Liu et al., Determinantes estructurales para la activación dependiente del pH de una metacaspasa vegetal, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-60253-y
