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.
por el Instituto Whitehead de Investigación Biomédica
Sus hallazgos revelan cómo la proteína, una especie de catalizador o enzima, aislada por primera vez en bacterias e introducida en plantas, incluidos cultivos como el maíz y la soja, en la década de 1990, a veces puede actuar de manera imprecisa y cómo se puede rediseñar con éxito para sea más preciso. El nuevo estudio, que aparece en línea en la revista Nature Plants , eleva los estándares de la bioingeniería en el siglo XXI.
«Nuestro trabajo subraya un aspecto crítico de la bioingeniería que ahora nos estamos volviendo técnicamente capaces de abordar», dice el autor principal Jing-Ke Weng, miembro del Instituto Whitehead y profesor asistente de biología en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. «Sabemos que las enzimas pueden comportarse de manera indiscriminada. Ahora, tenemos las capacidades científicas 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 alimentos 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 estacionarias, 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, que nos permiten 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 han sido vistos como mini-máquinas, 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, más ampliamente, en las enfermedades humanas», dice Weng.
También tiene implicaciones para la bioingeniería, como descubrieron recientemente Bastien Christ, un becario postdoctoral en el laboratorio de Weng, y sus colegas.
Christ, entonces 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 inusualmente altos niveles en sus hojas.
Curiosamente, estos compuestos (llamados acetil-aminoadipato y acetil-triptófano) no estaban presentes en ninguna de las plantas normales llamadas «de tipo salvaje». Mientras él y sus colegas buscaban una explicación, se centraron en la fuente: una enzima, llamada BAR, que se diseñó en las plantas como una especie de baliza química, lo que permite a los científicos estudiarlas 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, el maíz y el algodón, lo que les permite resistir un herbicida ampliamente utilizado (conocido como fosfinotricina o glufosinato).
Durante décadas, los científicos han sabido que BAR, originalmente aislado de bacterias, puede hacer que el herbicida sea inactivo al agregar una pequeña serie de químicos, hechos de dos carbonos y un oxígeno (también llamado grupo acetilo). Como describen los investigadores en su artículo de Nature Plants, tiene un lado promiscuo y también puede funcionar en otros sustratos, 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 genéticamente modificados 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 unida 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, por lo que cuando los tomamos prestados de un organismo y los ponemos en otro, es posible que no sean 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».
También hay otras lecciones importantes. Cuando el rasgo BAR fue evaluado por primera vez por la FDA de EE. UU., En 1995, para su uso en canola y en años posteriores para otros cultivos, la metabolómica era en gran parte inexistente como tecnología para la investigación biomédica . Por lo tanto, no se pudo aplicar a la caracterización de plantas y alimentos modificados genéticamente , como parte de su revisión regulatoria. Sin embargo, el acetil-aminoadipato y el 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 . «Esta es una advertencia», dice Weng.
