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Los científicos descubren el obstáculo de las plantas para la producción de aceites especiales

Los científicos descubren el obstáculo de las plantas para la producción de aceites especiales
La investigación del bioquímico Xiao-Hong Yu sobre la producción de ácidos grasos especiales en plantas recibió un impulso gracias a la colaboración con colegas que estudian un interruptor de apagado que regula la síntesis de ácidos grasos ordinarios. Crédito: Laboratorio Nacional Brookhaven

Cientos de ácidos grasos especiales de origen natural (componentes básicos de los aceites) tienen potencial para usarse como materias primas para fabricar lubricantes, plásticos, productos farmacéuticos y más, si pudieran producirse a gran escala mediante plantas de cultivo. 

por el Laboratorio Nacional Brookhaven

Pero los intentos de poner genes para fabricar estos bloques de construcción especiales en los cultivos han tenido el efecto contrario: las semillas de plantas con genes agregados para hacer que los ácidos grasos especiales acumulen una cantidad dramáticamente menor de aceite. Nadie sabía por qué.

Ahora, dos equipos de bioquímicos que trabajan en aspectos separados de la síntesis de petróleo en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Han convergido para descubrir el mecanismo detrás de la desaceleración de la producción de petróleo. Como se describe en la revista Plant Physiology , cruzaron plantas modelo y realizaron análisis bioquímico-genéticos detallados para demostrar una estrategia para revertir el obstáculo y aumentar la producción. El trabajo allana el camino para producir al menos un ácido graso especializado de importancia industrial en las plantas, y puede funcionar para muchos otros.

«Desde que los científicos descubrieron los genes responsables de producir ácidos grasos especiales hace varias décadas, hemos soñado con ponerlos en plantas de cultivo para producir abundantes fuentes renovables de los ácidos grasos deseados», dijo John Shanklin, presidente del departamento de biología de Brookhaven Lab, quien supervisó el proyecto. «Pero nos han impedido usarlos porque no sabíamos por qué ralentizan drásticamente la síntesis de ácidos grasos y aceites. Varios grupos de investigación han estado tratando de averiguar por qué sucede esto. Ahora hemos definido el mecanismo y hemos abierto plantear la posibilidad de lograr ese sueño «.

Dos proyectos convergen

Este estudio surgió de dos proyectos separados en el laboratorio de bioquímica de Shanklin. Uno, dirigido por Xiao-Hong Yu y Yuanheng Cai, se centró en los desafíos asociados con la producción especializada de ácidos grasos en las plantas. El otro, dirigido por Jantana Keereetaweep, estaba descifrando detalles del ciclo de retroalimentación bioquímica que usan las plantas para regular la producción ordinaria de ácidos grasos y aceite.

A través de ese segundo proyecto, el equipo caracterizó recientemente un mecanismo por el cual las plantas regulan negativamente la síntesis de aceite cuando los niveles de los ácidos grasos regulares (endógenos) de una planta son demasiado altos.

«Este sistema funciona como un termostato», explicó Shanklin. «Cuando el calor supera su punto de ajuste, el horno se apaga».

En el caso de los aceites vegetales, la maquinaria clave que controla la producción es una enzima llamada ACCase. Tiene cuatro partes o subunidades; puede pensar en ellas como engranajes. Mientras los ácidos grasos endógenos estén por debajo de cierto nivel, los cuatro «engranajes» se engranan y la máquina produce ácidos grasos para la producción de aceite. Pero alimentar a las plantas con ácidos grasos endógenos adicionales provoca una sustitución en la maquinaria. Una de las subunidades de ACCase se reemplaza por una versión que no es funcional. «Es como un engranaje sin dientes», dijo Shanklin. Ese engranaje desdentado (conocido como BADC) ralentiza la maquinaria productora de ácidos grasos hasta que bajan los niveles de ácidos grasos endógenos.

Por el contrario, el mecanismo de parada desencadenado por los ácidos grasos especiales (los producidos por genes añadidos artificialmente a la planta) se activa cuando están presentes incluso pequeñas cantidades de los ácidos grasos «extraños» y los ácidos grasos endógenos no están en exceso. «Debido a esto, parecían ser dos procesos separados», dijo Shanklin.

Pero a medida que los dos equipos discutían sus proyectos, comenzaron a preguntarse si los ácidos grasos especiales estaban activando el mismo interruptor de apagado activado por los altos niveles de ácidos grasos ordinarios. «Imagínense trabajando en el mismo laboratorio en diferentes proyectos y en una reunión de laboratorio un día, se miran y se preguntan:» ¿Es posible que estemos trabajando en lo mismo? «, Dijo Shanklin.

Esta idea proporcionó a los equipos una forma de combinar esfuerzos en un nuevo experimento.

Los científicos descubren el obstáculo de las plantas para la producción de aceites especiales
Una enzima vegetal llamada ACCase actúa como una «máquina» de cuatro engranajes para producir ácidos grasos, los componentes básicos del aceite. Los altos niveles de ácidos grasos ordinarios, o incluso pequeñas cantidades de hidroxiácidos grasos especiales, desencadenan una sustitución en la maquinaria: BADC, que actúa como un engranaje sin dientes, reemplaza al BCCP, lo que ralentiza la producción. Las plantas criadas para que carezcan de genes para producir BADC podrían producir grandes cantidades de ácidos grasos económicamente importantes. Crédito: Laboratorio Nacional Brookhaven

Probando la hipótesis

A través de estudios anteriores, el grupo de Shanklin había creado una cepa de Arabidopsis (una planta modelo) que tiene dos de sus genes BADC eliminados. En estas plantas, el interruptor de apagado está desactivado y las plantas producen altos niveles de ácidos grasos endógenos. Se preguntaron qué pasaría si los genes BADC fueran desactivados en plantas diseñadas para producir ácidos grasos especiales.

Para averiguarlo, Xiao-Hong Yu y Yuanheng Cai diseñaron una estrategia para cruzar las plantas defectuosas sin interruptor con una cepa de Arabidopsis diseñada para producir ácidos grasos hidroxi, uno de los tipos de especialidad que a los científicos les gustaría producir para aplicaciones industriales. Esta última cepa podía producir los ácidos grasos hidroxi, pero su tasa de síntesis de aceite era solo la mitad que la de las plantas normales y acumulaba mucho menos aceite en sus semillas.

Cuando se cruzan cuatro factores genéticos separados, se necesitan varias generaciones de plantas para producir plantas con la combinación deseada de genes: ambos genes BADC eliminados y dos genes que impulsan la producción de ácidos grasos hidroxi, con dos copias idénticas de cada factor genético.

«Tuvimos la suerte de tener dos estudiantes muy dedicados trabajando como pasantes a través de la Oficina de Programas Educativos de Brookhaven: Kenneth Wei, que entonces estaba en Mount Sinai High School y ahora está en el MIT, y Elen Deng, estudiante de la Universidad de Stony Brook,» Yu dijo. «Hicieron un trabajo fantástico al ejecutar pruebas de reacción en cadena de la polimerasa (PCR), similares a las que se usan para detectar COVID-19, para ejecutar análisis detallados de más de 600 plantas y encontrar aquellas con la composición genética deseada».

Luego, Jantana Keereetaweep trabajó con Yu para caracterizar esas plantas bioquímicamente, para comparar sus tasas de actividad ACCase con las de las dos líneas de Arabidopsis utilizadas para hacer las nuevas combinaciones genéticas.

El resultado final: las plantas que tenían la combinación de genes BADC defectuosos y genes necesarios para fabricar ácidos grasos hidroxi produjeron niveles normales de aceite que contenían los productos especiales. En comparación con las plantas que tenían genes BADC normales , las nuevas plantas mostraron aumentos en la cantidad total de ácidos grasos por semilla, el contenido total de aceite de semilla por planta y el rendimiento de semilla por planta.

«Las plantas defectuosas en BADC son ciegas a la presencia de ácidos grasos hidroxi y la respuesta habitual de apagar la ACCase, la maquinaria de producción de aceite, se ha ido», dijo Keereetaweep.

Los resultados demuestran que BADC es el mecanismo para reducir la actividad de la ACCasa en ambos escenarios: la acumulación de exceso de ácidos grasos endógenos y la presencia de hidroxiácidos grasos.

«Ahora estamos probando para ver si este mecanismo se limita a los ácidos grasos hidroxi o, como sospechamos, es común a otros ácidos grasos ‘extraños’ que también reducen la actividad de la ACCasa», dijo Shanklin. «Si es un mecanismo general, abre la posibilidad de hacer realidad el sueño de producir ácidos grasos especiales adicionales deseados en las semillas ricas en aceite de las plantas de cultivo «, dijo Shanklin.

«Este es un buen ejemplo en el que se puede implementar una comprensión mecanicista fundamental de la regulación bioquímica para permitir el progreso hacia una bioeconomía viable y sostenible», dijo Shanklin. «Podemos utilizar este enfoque para producir valiosos materiales de partida industriales renovables a bajo costo en plantas a partir de dióxido de carbono y luz solar, en lugar de depender de productos petroquímicos».


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