Agricultura Botánica y Genética Resto del Mundo

Un enfoque científico para recrear la evolución metabólica en las plantas


Las plantas han evolucionado para producir una variedad de compuestos que varían de una especie a otra. Estos compuestos juegan un papel clave para las estrategias de supervivencia de las plantas.


por Saori Tanaka, Universidad de Chiba


Los compuestos que son amargos y venenosos protegen a las plantas contra el consumo de insectos y animales. Mientras tanto, los compuestos que tienen buen olor o pigmentos coloridos atraen a los insectos que portan pólenes.

Entre los compuestos producidos por las plantas , algunas sustancias tienen usos medicinales debido a sus efectos fisiológicos en el cuerpo humano. Los investigadores han informado que la matrina se puede usar como un depresor del sistema nervioso central, similar a la morfina, y la huperizina A también se puede usar como un suplemento en el tratamiento de la enfermedad de Alzheimer. Estos compuestos se llaman alcaloides, que también son los metabolitos producidos por el aminoácido lisina en ciertas especies de plantas.

Ahora, ¿cómo se ha desarrollado el sistema de alcaloides derivados de lisina en las plantas? En 2016, el equipo de investigación de la Universidad de Chiba descubrió que las plantas que producen alcaloides derivados de la lisina tienen enzimas particulares que poseen actividad de descarboxilación bifuncional hacia la ornitina y la lisina (lisina / ornitina descarboxilasa). Estas enzimas han sido desarrolladas por una micro-mutación de la enzima antigua (ornitina descarboxilasa), que es esencial para la producción de poliamina utilizada en actividades fundamentales y biológicas, como la división celular , en varios organismos. Estas enzimas pueden descarboxilar y activar el aminoácido lisina y luego enviarlo a la producción de alcaloides en las células vegetales. La micromutación es crucial para el metabolismo que produce alcaloides y es común para las plantas que usan lisina como material para la producción de alcaloides.

Desde este descubrimiento en 2016, el equipo de investigación espera que la enzima micro-mutada sea un factor clave en la evolución de las plantas para producir un cierto tipo de alcaloide dado que esta mutación solo puede verse en especies de plantas que producen alcaloide derivado de lisina .

Finalmente, los equipos de investigación de la Universidad de Chiba, RIKEN y el Kazusa DNA Research Institute confirmaron en un artículo publicado en el Plant Journal el 31 de julio de 2019 que los alcaloides se generaron al insertar el gen de la enzima descarboxilante de lisina / ornitina de Lupinus angustifolius que produce lisina. alcaloide derivado en Arabidopsis thaliana ( A. thaliana ). El equipo también identificó el tipo de metabolitos que se generaron recientemente en A. thaliana , que es una planta modelo inicialmente sin la función de producir alcaloides.

Es interesante notar que el equipo de investigación recreó la evolución metabólica de los alcaloides productores de plantas en una planta modelo. A. thaliana se transformó para producir alcaloides insertando el gen de la enzima para cambiar el flujo metabólico. La expresión del gen introducido en A. thaliana resultó en la producción de cadaverina (1,5-diaminopentano) a partir de lisina , que se metaboliza aún más por enzimas endógenas. Estos procesos resultaron en la generación de nuevos metabolitos relacionados con alcaloides; 5-aminopentanal, ácido 5-aminopentanoico y δ-valerolactama por A. thaliana .

Es un desarrollo metodológico notable que el equipo de investigación identificó con éxito las sustancias recién generadas al detectar los cambios en los metabolitos antes y después de introducir el gen, lo cual es una tarea difícil dado que las plantas generalmente contienen varios miles de metabolitos.

«Pudimos cambiar el flujo metabólico manipulando uno de los genes en la planta, y también identificar qué tipo de alcaloides generaron en las células, lo cual es un gran paso para el próximo descubrimiento», dijo Mami Yamazaki, profesor asociado de Chiba. Universidad, quien dirigió el experimento. «Nuestra investigación ha abierto una posible forma de producir nuevos compuestos, que aún no existen en la naturaleza, al realizar una ingeniería genética similar en plantas con diferentes potenciales de capacidad metabólica. Dicha expansión de la diversidad química es un tema importante para el desarrollo de las semillas en las industrias farmacéuticas «.

El equipo de investigación espera que dilucidar el mecanismo metabólico en las plantas con el método recientemente desarrollado dará como resultado un suministro estable de ingredientes médicos en los próximos años.


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