Un equipo de investigación dirigido por el Instituto Whitehead de Investigación Biomédica ha aprovechado las tecnologías metabolómicas para desentrañar las actividades moleculares de una proteína clave que puede permitir que las plantas resistan un herbicida común. Sus hallazgos revelan cómo la proteína, una especie de catalizador o enzima, primero aislado en bacterias e introducido en plantas, incluyendo cultivos como maíz y soja, en la década de 1990, a veces puede actuar de manera imprecisa, y cómo se puede rediseñar con éxito para que sea más preciso. El nuevo estudio, que aparece en línea en la revista Plantas de la naturaleza , eleva los estándares de la bioingeniería en el siglo XXI.

"Nuestro trabajo subraya un aspecto crítico de la bioingeniería que ahora estamos siendo técnicamente capaces de abordar, "dice el autor principal Jing-Ke Weng, miembro del Whitehead Institute y profesor asistente de biología en el Massachusetts Institute of Technology. "Sabemos que las enzimas pueden comportarse indiscriminadamente. Ahora, tenemos la capacidad científica para detectar sus efectos secundarios moleculares, y podemos aprovechar esos conocimientos para diseñar enzimas más inteligentes con mayor especificidad ".

Las plantas proporcionan un modelo extraordinario para que los científicos estudien cómo cambia el metabolismo con el tiempo. Debido a que no pueden escapar de los depredadores o buscar nuevas fuentes de alimento cuando los suministros se agotan, las plantas a menudo deben lidiar con una serie de agresiones ambientales utilizando lo que está fácilmente disponible:su propia bioquímica interna.

"Aunque parecen estar estacionarios, las plantas tienen sistemas metabólicos en rápida evolución, "Explica Weng." Ahora, podemos obtener una visión sin precedentes de estos cambios gracias a técnicas de vanguardia como la metabolómica, permitiéndonos analizar metabolitos y otros bioquímicos a gran escala ".

Los actores clave en este proceso evolutivo, y un foco principal de investigación en el laboratorio de Weng, son las enzimas. Tradicionalmente, Estos catalizadores de origen natural se han considerado minimaquinas, tomando el material de partida adecuado (o sustrato) y convirtiéndolo sin problemas en el producto correcto. Pero Weng y otros científicos ahora reconocen que cometen errores, a menudo al aferrarse a un sustrato no deseado. "Este concepto, conocido como promiscuidad enzimática, tiene una variedad de implicaciones, tanto en la evolución de las enzimas como en general, en enfermedades humanas, "Dice Weng.

También tiene implicaciones para la bioingeniería, como Bastien Christ, un becario postdoctoral en el laboratorio de Weng, y sus colegas lo descubrieron recientemente.

Cristo, luego estudiante de posgrado en el laboratorio de Stefan Hörtensteiner en la Universidad de Zurich en Suiza, estaba estudiando una cepa particular de la planta con flores Arabidopsis thaliana como parte de un proyecto separado, e hizo una observación desconcertante:se encontraron dos compuestos bioquímicos en niveles inusualmente altos en sus hojas.

Extrañamente, estos compuestos (llamados acetil-aminoadipato y acetil-triptófano) no estaban presentes en ninguno de los las denominadas plantas de "tipo salvaje". Mientras él y sus colegas buscaban una explicación, se redujeron a la fuente:una enzima, llamado BAR, que fue diseñado en las plantas como una especie de baliza química, permitiendo a los científicos estudiarlos más fácilmente.

Pero BAR es más que una simple herramienta para los científicos. También es uno de los rasgos más comúnmente implementados en cultivos genéticamente modificados, como la soja, maíz, y algodon, permitiéndoles resistir un herbicida ampliamente utilizado (conocido como fosfinotricina o glufosinato).

Por décadas, los científicos han sabido que BAR, originalmente aislado de bacterias, Puede hacer que el herbicida sea inactivo al agregar una pequeña serie de productos químicos, hecho de dos carbonos y un oxígeno (también llamado grupo acetilo). Como describen los investigadores en su artículo Nature Plants, tiene un lado promiscuo, y puede trabajar en otros sustratos, también, como los aminoácidos triptófano y aminoadipato (un derivado de lisina).

Eso explica por qué pueden detectar los productos no deseados (acetil-triptófano y acetil-aminoadipato) en cultivos modificados genéticamente para transportar BAR, como la soja y la canola.

Su investigación incluyó estudios detallados de la proteína BAR, incluidas las estructuras cristalinas de la proteína unidas a sus sustratos. Esto les proporcionó un plan de cómo modificar estratégicamente BAR para hacerlo menos promiscuo, y favorecer solo el herbicida como sustrato y no los aminoácidos. Christ y sus colegas crearon varias versiones que carecen de la actividad no específica de la proteína BAR original.

"Estos son catalizadores naturales, así que cuando los tomamos prestados de un organismo y los ponemos en otro, pueden no ser necesariamente perfectos para nuestros propósitos, ", Dice Cristo." Recopilar este tipo de conocimiento fundamental sobre cómo funcionan las enzimas y cómo su estructura influye en la función puede enseñarnos cómo seleccionar las mejores herramientas para la bioingeniería ".

Hay otras lecciones importantes, también. Cuando el rasgo BAR fue evaluado por primera vez por la FDA de EE. UU., En 1995, para uso en canola, y en los años siguientes para otros cultivos, la metabolómica fue en gran parte inexistente como tecnología para la investigación biomédica. Por lo tanto, no podría aplicarse a la caracterización de plantas y alimentos modificados genéticamente, como parte de su revisión regulatoria. Sin embargo, acetil-aminoadipato y acetil-triptófano, que normalmente están presentes en los seres humanos, han sido revisados ​​por la FDA y son seguros para el consumo humano y animal.

Weng y sus colegas creen que su estudio es un caso sólido para considerar los análisis metabolómicos como parte del proceso de revisión para futuros cultivos modificados genéticamente. "Este es un cuento con moraleja, "Dice Weng.