Las plantas pueden hacer muchas cosas asombrosas. Entre sus talentos, pueden fabricar compuestos que les ayuden a repeler plagas, atraer polinizadores, curar infecciones y protegerse del exceso de temperatura, sequía y otros peligros en el medio ambiente.

Investigadores del Instituto Salk que estudian cómo las plantas desarrollaron las habilidades para producir estos químicos naturales han descubierto cómo evolucionó una enzima llamada chalcona isomerasa para permitir que las plantas fabriquen productos vitales para su propia supervivencia. La esperanza de los investigadores es que este conocimiento sirva de base a la fabricación de productos que sean beneficiosos para los seres humanos, incluyendo medicamentos y cultivos mejorados. El estudio apareció en la versión impresa de Catálisis ACS el 6 de septiembre 2019.

"Desde que las plantas terrestres aparecieron por primera vez en la tierra hace aproximadamente 450 millones de años, han desarrollado un sofisticado sistema metabólico para transformar el dióxido de carbono de la atmósfera en una miríada de productos químicos naturales en sus raíces, brotes y semillas, "dice el profesor Joseph Noel de Salk, el autor principal del artículo. "Esta es la culminación del trabajo que hemos estado haciendo en mi laboratorio durante los últimos 20 años, tratando de comprender la evolución química de las plantas. Nos da un conocimiento detallado sobre cómo las plantas han desarrollado esta habilidad única para producir algunas moléculas muy inusuales pero importantes ".

Investigaciones anteriores en el laboratorio de Noel analizaron cómo estas enzimas evolucionaron a partir de proteínas no enzimáticas, incluido el estudio de versiones más primitivas de los mismos que aparecen en organismos como bacterias y hongos.

Como enzima La chalcona isomerasa actúa como catalizador para acelerar las reacciones químicas en las plantas. También ayuda a garantizar que los productos químicos que se fabrican en la planta tengan la forma adecuada, ya que las moléculas con la misma fórmula química pueden tomar dos variaciones diferentes que son imágenes especulares entre sí (llamadas isómeros).

"En la industria farmacéutica, es importante que los medicamentos que se fabrican sean la versión correcta, o isómero, porque usar el incorrecto puede provocar efectos secundarios no deseados, "dice Noel, quien es director del Centro de Biología Química y Proteómica Jack H. Skirball de Salk y ocupa la Cátedra Arthur y Julie Woodrow. "Al estudiar cómo funciona la chalcona isomerasa, podemos aprender más sobre cómo acelerar la fabricación de los isómeros correctos de productos farmacéuticos y otros productos que pueden ser importantes para la salud humana ".

En el estudio actual, Los investigadores utilizaron varias técnicas de biología estructural para investigar la forma única de la enzima y cómo cambia su forma a medida que interactúa con otras moléculas. Identificaron la parte de la estructura de la chalcona isomerasa que le permitió catalizar reacciones increíblemente rápidas y, al mismo tiempo, garantizar que produzca lo correcto. isómero biológicamente activo. Estas reacciones conducen a una serie de actividades en las plantas, incluida la conversión de metabolitos primarios como la fenilalanina y la tirosina en moléculas vitales especializadas llamadas flavonoides.

Resultó que un aminoácido en particular, arginina ese era uno de los muchos aminoácidos unidos en la isomerasa de calcona asentada en un lugar, moldeado por la evolución, eso le permitió jugar un papel clave en cómo se catalizaron las reacciones de la calcona isomerasa.

"Al realizar estudios estructurales y modelado informático, pudimos ver las posiciones muy precisas de la arginina dentro del sitio activo de la enzima a medida que avanzaba la reacción, "dice el primer autor Jason Burke, un ex investigador postdoctoral en el laboratorio de Noel que ahora es profesor asistente en la Universidad Estatal de California en San Bernardino. "Sin esa arginina, no funciona de la misma manera ".

Burke agrega que este tipo de catalizador ha sido buscado durante mucho tiempo por los químicos orgánicos. "Este es un ejemplo de cómo la naturaleza ya está resolviendo un problema que los químicos han estado analizando durante mucho tiempo, " él añade.

"Al comprender la calcona isomerasa, podemos crear un nuevo conjunto de herramientas que los químicos podrán utilizar para las reacciones que están estudiando, "Noel dice." Es absolutamente vital tener este tipo de conocimiento fundamental para poder diseñar sistemas moleculares que puedan llevar a cabo una tarea particular incluso en la próxima generación de cultivos nutricionalmente densos capaces de transformar el dióxido de carbono del gas de efecto invernadero en moléculas esenciales para vida."