La celulosa, un componente integral de las paredes celulares de las plantas, es una fuente importante de alimentos, papel, textiles y biocombustibles, pero aún no está claro cómo se regula su creación dentro de las células vegetales. Ahora, un equipo dirigido por investigadores de Penn State ha identificado una proteína que modifica la maquinaria celular responsable de producir celulosa, que en última instancia le da estabilidad a esa maquinaria. Esta nueva comprensión podría informar el diseño de materiales enriquecidos con celulosa más estables para biocombustibles y otras funciones.

Dentro de una célula vegetal, un complejo de proteínas llamado complejo de celulosa sintasa construye una cadena de celulosa. La regulación de este proceso determina una variedad de propiedades, como cuándo y qué tan rápido ocurre, así como la longitud de la cadena de celulosa.

« La celulosa es el biopolímero más abundante en la Tierra, pero a pesar de su importancia, se sabe relativamente poco sobre cómo se regula su síntesis », dijo Ying Gu, profesor de bioquímica y biología molecular en la Facultad de Ciencias Eberly de Penn State y líder de la investigación. equipo. « En este estudio, identificamos una proteína llamada proteína quinasa 32 dependiente de calcio (CPK32) y confirmamos que modifica químicamente una de las proteínas en el complejo de celulosa sintasa, lo que finalmente ayuda a regular el proceso de biosíntesis de celulosa ».

Los investigadores publicaron sus hallazgos en un artículo que aparece el 11 de julio en la revista New Phytologist.

La modificación química que lleva a cabo la proteína CPK32 se denomina fosforilación; agrega un compuesto químico conocido como grupo fósforo a la proteína celulosa sintasa CESA3. Estos tipos de modificaciones son reversibles y respaldan una variedad de funciones biológicas importantes en la célula. En los seres humanos, más de 200 000 ubicaciones en las proteínas pueden ser fosforiladas por más de 500 proteínas, que se denominan cinasas. En la planta Arabidopsis, también conocida como thale cress y comúnmente utilizada en la ciencia de las plantas, más de 43 000 lugares pueden ser fosforilados por más de 1000 quinasas.

« Identificar cuál de las muchas quinasas podría fosforilar la celulosa sintasa fue muy desalentador », dijo Gu. « Usamos un enfoque de detección para buscar proteínas que se asocien directamente con CESA3. Esto reveló la cinasa CPK32, y seguimos con una serie de experimentos para confirmar que CPK32 en realidad fosforila CESA3, para identificar la ubicación específica en CESA3 donde esto ocurre, y determinar cómo esta fosforilación afecta a la planta ».

« Estudios anteriores han demostrado que CPK32 desempeña un papel en varios procesos biológicos, incluido el crecimiento del tubo polínico, así como el desarrollo de brotes y raíces », dijo Gu. « Aquí, demostramos una nueva función de CPK32 y un nuevo mecanismo de fosforilación para estabilizar el complejo de celulosa sintasa ».

A continuación, los investigadores planean investigar si la fosforilación de CESA3 es exclusiva de CPK32 o si alguna otra quinasa dentro de la misma familia puede regular de manera similar la biosíntesis de celulosa.

« Al regular la estabilidad del complejo de celulosa sintasa, podemos alentar a las células a producir cadenas de celulosa más largas y, en última instancia, diseñar materiales ricos en celulosa », dijo Gu.

Además de Gu, el equipo de investigación de Penn State incluye a Xiaoran Xin, estudiante de posgrado en el programa de Bioquímica, Microbiología y Biología Molecular en el momento de la investigación; Donghui Wei, estudiante de posgrado en biología vegetal; Lei Lei, estudiante de posgrado en biología vegetal en el momento de la investigación; y Shundai Li, profesor asistente de bioquímica y biología molecular. El equipo de investigación también incluye a Haiyan Zheng de la Universidad de Rutgers e Ian Wallace de la Universidad de Nevada, Reno.

Esta investigación fue apoyada por el Centro de Estructura y Formación de Lignocelulosa, un Centro de Investigación de la Frontera Energética financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. el Departamento de Bioquímica y Biología Molecular de Penn State; y la Fundación Nacional de Ciencias.