Los estudios ambientales han demostrado que el 40% del dióxido de carbono (CO2) atmosférico pasa a través de los estomas de las plantas cada año. Por lo tanto, El control del desarrollo y la función de los estomas se considera clave para aumentar la productividad de las plantas de cultivo y la eficiencia en el uso del agua. Los estomas son poros que se encuentran en las hojas de las plantas y son responsables del intercambio de gases con el medio ambiente circundante. Como se ha informado que la luz y los niveles de CO2 atmosférico influyen en el número de estomas, químicos sintéticos y biólogos de plantas en el Instituto de Bio-Moléculas Transformativas (ITbM) en la Universidad de Nagoya, han decidido explorar este tema utilizando un enfoque químico y han logrado desarrollar pequeñas moléculas para aumentar el número de estomas en las hojas de las plantas. El resultado de este estudio se informó en la revista, Comunicaciones químicas .

Usando una planta con flores modelo, Arabidopsis thaliana, El grupo de investigación de ITbM realizó un cribado químico de moléculas pequeñas seleccionadas descubiertas en la biblioteca química de ITbM e identificó dos moléculas (CL1 y CL2) con una estructura similar a la del fármaco antiinflamatorio no esteroideo, Celecoxib. Aunque CL1 y CL2 aumentaron el número de estomas en las hojas de las plantas, eran tóxicos para las plantas cuando se aplicaban en altas concentraciones.

Estimulado por los estomas de la planta que aumentan el efecto de CL1 y CL2, el equipo diseñó la estructura de las moléculas para desarrollar nuevos compuestos que puedan aumentar el número de estomas, minimizando al mismo tiempo la toxicidad tras la exposición de la planta a los compuestos en altas concentraciones. El equipo sintetizó y probó pequeñas moléculas ausentes del grupo trifluorometilo (CF3) en la posición C3 (ZA155) o del grupo arilo en la posición C5 (ZA099) en el pirazol (un heterociclo de 5 miembros que consta de tres átomos de carbono y dos átomos de nitrógeno adyacentes) anillo. Como resultado, el equipo descubrió que aunque ambos compuestos condujeron a un aumento en el número de estomas, ZA155 condujo a la inhibición del crecimiento de la planta, mientras que ZA099 no lo hizo.

"Comencé esta investigación cuando llegué a ITbM en 2015, "dice el Dr. Asraa Ziadi, investigador postdoctoral en ITbM que principalmente sintetizó las moléculas. "Con mi experiencia en química organometálica, Quería hacer algo diferente pero aun así usar mi experiencia ".

El equipo de química sintética fue dirigido por el profesor Kenichiro Itami, el director del centro de ITbM, y desarrollaron una metodología rápida de arilación de C-H catalizada por paladio que permitiría la síntesis directa de una variedad de derivados de aril pirazol de ZA099 y sus correspondientes bromuros de arilo, con la esperanza de aumentar el número de estomas evitando la inhibición del crecimiento. Usando su nuevo método sintético, pudieron reemplazar directamente el átomo de hidrógeno (H) conectado al átomo de carbono (C) en el anillo de pirazol con varios anillos aromáticos (funcionalización C – H) para realizar estudios de relación estructura-actividad.

Al investigar el efecto de las pequeñas moléculas sintetizadas en el número de estomas de las plantas, Se observó que un compuesto que contenía cloro (ZA139) generaba una alta densidad estomática en las hojas, pero era extremadamente tóxico para la planta, que conduce a una forma estomática anormal. Como el ZA143 que contiene metoxi dio lugar a un pequeño aumento en el número de estomas y no fue muy tóxico para la planta, el grupo pensó que quizás el análogo de sulfonamida ZA160 funcionaría mejor. El compuesto, sin embargo, no aumentó el número de estomas en las hojas de las plantas y condujo a la inhibición del crecimiento.

Próximo, el equipo centró su atención en sintetizar y probar diferentes compuestos sustituidos con anisol (metoxibenceno) que podrían aumentar el número de estomas sin inhibir el crecimiento de las plantas. En efecto, pudieron identificar ZA144 sustituido con orto-anisilo, que tiene el grupo metoxi en la posición orto, como la molécula más eficaz para aumentar el número de estomas sin toxicidad grave.

"El mejor momento de esta investigación fue configurar el experimento biológico y ver el aumento en el número de estomas en las hojas de las plantas bajo el microscopio, "describe a Ziadi". Recuerdo haber pensado "¡mis moléculas hicieron eso!"; este fue un gran sentimiento ".

Los experimentos biológicos en plantas fueron realizados por un grupo de biólogos de plantas, dirigido por la profesora Keiko Torii, investigador principal en ITbM que también ocupa un puesto en la Universidad de Washington. Ziadi ha trabajado en estrecha colaboración con el biólogo vegetal Naoyuki Uchida, quien es profesor asociado en el grupo del profesor Torii, y habla sobre los desafíos de realizar investigación biológica como químico.

"Para mi, fue comprender la biología detrás del descubrimiento, "dice Ziadi." Como químico sintético, su función suele terminar cuando se sintetiza la molécula. Pero en ITbM, puedes ver lo que pueden hacer las moléculas. ¡Eso es realmente interesante! Estaba muy intrigado por la idea de sintetizar moléculas que pueden dar cambios tan visuales y claros en las plantas ".

"Siempre me sorprendió que, cada vez que le contaba a Asraa sobre los efectos de las moléculas que sintetizaba sobre el número de estomas y el crecimiento de las plantas, ella comenzó a sintetizar más moléculas con mejores efectos el mismo día, "describe Uchida." Esta colaboración asombrosamente rápida entre biólogos y químicos sólo fue posible en un entorno de investigación como nuestro instituto, donde los biólogos y los químicos trabajan juntos uno al lado del otro. Disfrutamos mucho de esta colaboración ".

La clave del éxito del grupo en la identificación de una molécula pequeña que puede mejorar el número de estomas vegetales fue el desarrollo de una reacción de funcionalización C – H por parte de químicos sintéticos que permite la derivatización rápida de anillos aromáticos. Esta investigación en biología vegetal acelerada para acceder a una serie de moléculas bioactivas, que induce el desarrollo estomático deseable sin inhibir el crecimiento de las plantas.

Investigaciones adicionales utilizando sus compuestos de pirazol bioactivos pueden conducir a la aclaración del mecanismo detrás de la diferenciación estomática mediada por pirazol. Esto puede conducir a una posible identificación y síntesis de compuestos que pueden aumentar la biomasa mediante el control de los estomas.

"Aprendí que la colaboración entre biólogos y químicos es muy poderosa, ", dice Ziadi." Puedes aprender muchas cosas y discutir el proyecto desde diferentes aspectos. En mi caso, para entender mejor el proyecto, Comencé a educarme sobre los estomas y los diferentes mecanismos que pueden estar involucrados en el desarrollo de los estomas. Fue dificil, pero afortunadamente, Estoy en un instituto donde estoy rodeado de excelentes investigadores de diferentes disciplinas ".