Los bioquímicos de plantas del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. han descubierto un nuevo nivel de regulación en la « maquinaria » bioquímica que utilizan las plantas para convertir el carbono orgánico derivado de la fotosíntesis en una gama de moléculas aromáticas en forma de anillo. La investigación, recién publicada en la revista Science Advances, sugiere nuevas estrategias para controlar la bioquímica de las plantas para aplicaciones agrícolas e industriales.

« Nuestro estudio revela la complejidad y la versatilidad que se han pasado por alto durante mucho tiempo de un conjunto clave de enzimas conocidas como monooxigenasas del citocromo P450 », dijo el autor principal del estudio, Chang-Jun Liu, del departamento de biología de Brookhaven Lab. « Estas enzimas funcionan como una máquina sintética para producir una amplia gama de compuestos aromáticos en las plantas, incluidos los compuestos que construyen el esqueleto y la vasculatura a prueba de agua de las plantas, y otros que brindan defensa contra las invasiones de insectos y la radiación ultravioleta (UV) ».

Descubrir la complejidad de cómo se regulan estas enzimas proporciona un nuevo conjunto de herramientas genéticas que los científicos pueden usar para controlar con precisión qué compuestos se producen en diferentes partes de una planta. El trabajo podría ayudar a facilitar el almacenamiento de carbono a largo plazo y la utilización neutra de carbono de la biomasa vegetal para aplicaciones energéticas, mejorar las propiedades nutricionales de las plantas o aumentar su resistencia a las enfermedades y las duras condiciones ambientales.

maquinaria molecular

Los científicos saben desde hace mucho tiempo que las enzimas P450 no funcionan solas para determinar las características estructurales y biológicas de los compuestos aromáticos.

« Para hacer que las máquinas P450 funcionen, necesitan moléculas asociadas para entregar electrones. Estos electrones actúan como una fuente de energía para alimentar la máquina », explicó Liu.

Convencionalmente, los científicos pensaron que los P450 interactúan principalmente con un donante de electrones general llamado citocromo P450 reductasa para producir una variedad de compuestos aromáticos. Pero el nuevo estudio muestra que diferentes P450 se asocian selectivamente con diferentes donantes de electrones (y cadenas de transporte de electrones) para impulsar sus actividades. Además, los investigadores descubrieron que la misma enzima P450 puede utilizar distintos donantes de electrones y cadenas de transporte de electrones en diferentes partes de una planta (tallos, hojas y semillas) para producir diferentes clases de compuestos aromáticos.

Los científicos hicieron estos descubrimientos analizando los compuestos aromáticos que se acumularon en diferentes partes de las plantas en las que se habían eliminado selectivamente los genes de diferentes donantes de electrones.

« Al eliminar estos genes, pudimos determinar las contribuciones de distintos donantes de electrones, identificando cuáles impulsan la producción de diferentes aromáticos en diferentes partes de la planta », dijo Liu. « Luego, en las células de levadura, volvimos a ensamblar diferentes cadenas de transporte de electrones en combinación con enzimas P450 de plantas para imitar las reacciones en las plantas. Esos estudios nos ayudaron a verificar las contribuciones de los donantes de electrones individuales y las cadenas de transporte para respaldar la actividad de P450 ».

El trabajo experimental fue realizado principalmente por el investigador postdoctoral Xianhai Zhao bajo la dirección de Liu.

« Las plantas han desarrollado una serie de genes homólogos para donantes de electrones », explicó Zhao, « por lo que necesitábamos crear plantas con deleciones de genes individuales y combinaciones de genes. Luego examinamos los cambios en la distribución de productos aromáticos en el transcurso de la planta. desarrollo. »

« También realizamos un análisis comparativo exhaustivo de la expresión del gen donante de electrones y la abundancia de moléculas fuente de electrones en diferentes partes de la planta y medimos las tasas de transferencia de electrones de diferentes cadenas de transporte », agregó Zhao.

Estos experimentos ayudaron a los científicos a identificar las razones subyacentes por las que ciertas enzimas P450 se asociaron con diferentes cadenas de transporte de electrones en diferentes partes de la planta.

Próximos pasos

El conocimiento obtenido proporciona a los científicos un nuevo conjunto de herramientas genéticas que pueden manipular para controlar la producción aromática.

« Podemos manipular donantes de electrones particulares, en lugar de los P450, para suprimir un conjunto distinto de aromáticos y lograr el resultado deseado », dijo Liu.

Por ejemplo, la reducción de un compuesto aromático conocido como lignina en los tallos podría hacer que las plantas se descompongan más fácilmente y se conviertan en biocombustibles. Reducir los niveles de ciertos compuestos aromáticos en las semillas podría mejorar su valor nutricional.

« El conocimiento detallado presentado en este estudio nos permite realizar cambios seleccionados en una parte de una planta sin afectar a otra, como la acumulación de compuestos aromáticos que proporcionan protección solar UV en las hojas », dijo Liu.

El equipo de Brookhaven planea probar estas estrategias de manipulación genética para optimizar los cultivos bioenergéticos. También realizarán más estudios utilizando microscopios crioelectrónicos en el Laboratorio de Estructura BioMolecular de Brookhaven para comprender los detalles a nivel atómico que impulsan las asociaciones selectivas entre las enzimas P450 y los donantes de electrones específicos.

Este trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias del DOE (BES). Esta investigación utilizó un microscopio confocal en el Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE de EE. UU.