Debido a que las plantas no pueden levantarse y escapar, han tenido que ser inteligentes en su lugar. Son los químicos del mundo vivo, produciendo cientos de miles de pequeñas moléculas que usan como protectores solares, para envenenar a los comedores de plantas, paraperfumar el aire, colorear flores y para muchos otros negocios de vegetación secreta.
Históricamente, estos químicos, llamados "metabolitos secundarios", se han distinguido de los "metabolitos primarios", que son los componentes básicos de las proteínas, grasas, azúcares y ADN. Los metabolitos secundarios allanan el camino en la vida, pero los metabolitos primarios son esenciales, yel hecho de no hacerlos de manera correcta y eficiente es fatal.
Se cree que el metabolismo secundario evolucionó para ayudar a los ancestros de las plantas a lidiar con la vida en tierra seca en lugar de los océanos más hospitalarios. La idea es que los genes de las enzimas en las líneas de ensamblaje molecular del metabolismo primario se duplicaron. Los duplicados fueron más tolerantesde mutaciones que podrían haber desestabilizado las vías primarias porque los originales todavía estaban en el trabajo. Con las restricciones evolutivas relajadas, la maquinaria sintética pudo acumular suficientes mutaciones para hacer una nueva química.
Sin embargo, el metabolismo primario está ampliamente conservado, lo que significa que permanece sin cambios en muchos grupos diferentes de organismos porque se ha ajustado para que funcione de manera correcta y eficiente y porque sus productos son necesarios para la vida. O eso dicen los libros de texto.
Pero ahora un equipo colaborativo de científicos ha captado el metabolismo primario en el acto de evolucionar. En un estudio exhaustivo de una línea de ensamblaje del metabolismo primario en plantas, descubrieron una enzima clave que evoluciona de una forma canónica que poseen la mayoría de las plantas, a través de métodos no canónicosse forma en tomates, a una forma de interruptor que se encuentra en el maní, y finalmente se compromete con la forma novedosa en algunas cepas de soja.
Esta hazaña, comparable a sacar el mantel de debajo de los platos sin romper ninguno de ellos, se describe en la edición del 26 de junio de Biología química de la naturaleza . Es el trabajo de una colaboración entre el laboratorio Maeda de la Universidad de Wisconsin, que tiene un interés de larga data en esta vía bioquímica, y el laboratorio Jez de la Universidad de Washington en St. Louis, que cristalizó la enzima de la soja para revelar cómola naturaleza cambió la forma en que funciona la proteína.
"El trabajo captura plantas en el proceso de construcción de una vía que vincula el metabolismo primario con el secundario", dijo Joseph Jez, profesor del Instituto Médico Howard Hughes en el Departamento de Biología en Artes y Ciencias. "Finalmente estamos viendocómo la evolución crea la maquinaria para hacer nuevas moléculas "
También puede tener importancia práctica porque las vías antiguas y las nuevas producen el aminoácido tirosina, que es un precursor de muchos metabolitos secundarios con actividad biológica y farmacéutica, desde vitamina E hasta opioides. Pero la vía antigua solo produce pequeñas cantidadescantidades de estos compuestos, en parte porque deben competir por átomos de carbono con el proceso codicioso para producir lignina, los polímeros resistentes que permiten que las plantas se mantengan erguidas.
El descubrimiento de la nueva vía para producir tirosina está mucho menos restringido que el anterior. Esto aumenta la posibilidad de que el flujo de carbono pueda ser dirigido lejos de la lignina, aumentando los rendimientos de medicamentos o nutrientes a niveles que les permitan ser producidosen cantidades comerciales
Una historia de dos enzimas
La tirosina se produce en una línea de ensamblaje llamada vía shikimate, una vía metabólica de siete pasos que las plantas usan para producir los tres aminoácidos que tienen anillos aromáticos. Los animales incluidas las personas eliminan la capacidad de erigir esta línea de ensamblaje profundamente en elpasado evolutivo. Debido a que no podemos producir estos aminoácidos por nuestra cuenta y son esenciales para la vida, debemos obtenerlos comiendo plantas u hongos.
Ese anillo aromático es importante, dijo Jez, porque es una estructura distintiva que puede absorber luz o energía. Por lo tanto, los aminoácidos aromáticos también son los precursores de muchos metabolitos secundarios que capturan luz, transfieren electrones o colorean flores. Además,los aminoácidos aromáticos también son precursores de químicos que envenenan otras plantas o depredadores de plantas y atraen polinizadores. Muchos medicamentos incluyen un anillo aromático, comentó Jez.
En la mayoría de las plantas, la vía shikimate está en el cloroplasto, el orgánulo que hace el trabajo de convertir la energía de la luz solar en energía almacenada en enlaces de carbono. Sin embargo, una vez hecha, la tirosina se puede exportar fuera del citosol para su incorporación o conversión enotros compuestos
En el último paso de una rama de la vía, una enzima llamada arogenato deshidrogenasa ADH, cataliza una reacción que convierte el compuesto en hidrogeno en tirosina. La enzima ADH se considera "reguladora" porque es un cuello de botella en la producción de tirosina.debe competir por el sustrato arogenado con la rama de la vía shikimate que produce un aminoácido aromático diferente y se inhibe fuertemente por la acumulación de tirosina
La actividad de ADH es común en las plantas, pero en el curso del estudio de la vía shikimate el laboratorio de Maeda descubrió que las secuencias de ADN que codifican ADH en algunas plantas con flores eran significativamente diferentes de las de la mayoría de las plantas. Llamaron a las enzimas producidas por estas secuenciasADH no canónica. Luego, en 2014, informaron que algunas legumbres también producen tirosina con una enzima diferente, llamada prefenato deshidrogenasa PDH.
PDH difiere de ADH en muchos aspectos. Es activo fuera del cloroplasto, actúa sobre el prefenato del sustrato en lugar de sobre el arogenado, ya que está fuera del cloroplasto no tiene que competir por su sustrato con otras ramas de la vía shikimate, y no se inhibe por el aumento de los niveles de tirosina.
¿Por qué hay dos líneas de ensamblaje diferentes para la tirosina? Los científicos creen que la enzima PDH evolucionó a través de dos eventos de duplicación de genes y la acumulación de mutaciones en las copias "adicionales" del gen. El primer evento dio lugar a ADH no estándar en algunas floracionesplantas y el segundo a PDH en un subconjunto de leguminosas. Pero ¿por qué sucedió esto?
Esa no es una pregunta que los científicos puedan responder aún, excepto en términos generales, dijo Jez. Sin embargo, lo que sobresale es que la vía metabólica evolucionada más recientemente no está estrictamente regulada y podría producir productos a un ritmo agitado. Quizáslas legumbres tenían una gran necesidad de metabolitos secundarios por alguna razón. Ciertamente es sospechoso que las legumbres tengan una ecología bastante diferente a la de otras plantas, ya que viven simbióticamente con bacterias fijadoras de nitrógeno.
tocando los bits
En este punto, los científicos sabían que la nueva enzima, PDH, se unía a un sustrato diferente que la enzima original, ADH. También sabían que la PDH, a diferencia de la ADH, no se unía a la tirosina en sí misma. Pero los cambios en la estructura condujeron a estas diferenciasen actividad química?
Para averiguarlo, Craig Schenck, un estudiante graduado en el laboratorio de Maeda, comparó las secuencias de genes para la enzima ADH o PDH en muchas plantas diferentes, cuidadosamente elegidas para estar en los límites de la transición de una enzima a otra. Peroencontraron un problema. Había suficientes diferencias en el ADN que era difícil ver qué era relevante, dijo Jez.
Al encontrarse con Maeda en una conferencia, Jez ofreció intentar cristalizar las nuevas enzimas para que su estructura pudiera reconstruirse a partir de imágenes de rayos X. Su estudiante graduada Cynthia Holland pudo cristalizar la PDH de la soja y producir imágenes detalladas de su tridimensionalforma.
"Una vez que miraste la estructura, pudiste ver que solo había dos diferencias con respecto a la ADH típica encontrada en la mayoría de las plantas y solo una de las diferencias realmente cambió las cosas", dijo Jez. Sorprendentemente, esa diferencia fue un solo aminoácido en elsitio activo en la enzima. En ese punto, la asparagina había reemplazado al ácido aspártico.
Schenck verificó dos veces esta información estructural volteando ese aminoácido en formas mutantes de la enzima. El mutante ADH resultó tener actividad PDH, y el mutante PDH tenía actividad ADH, tal como el equipo sospechaba.
"Esa diferencia cambia el sustrato preferido de la enzima y su capacidad para ser inhibida por la retroalimentación de tirosina", dijo Jez. "Y si lo miras, es literalmente la diferencia entre un átomo de nitrógeno o un átomo de oxígeno. En estas proteínas,que se componen de casi trescientos aminoácidos o cuarenta y doscientos átomos, un átomo hace la diferencia. Eso es genial ".
El trabajo es importante porque demuestra que el metabolismo primario evoluciona. Y porque muestra cómo la naturaleza roba la maquinaria del metabolismo primario y la combina para crear nuevos metabolitos secundarios. Lo hacen con mucha más delicadeza de la que los ingenieros genéticos pueden manejar.
"Cuando queremos que una planta produzca una nueva molécula", dijo Jez, "colocamos un gen y esperamos que se integre con las vías existentes. Todavía no sabemos cómo conectar fácilmente el cableado entre lo que colocamos ylo que ya está allí. Entonces es interesante ver cómo la naturaleza logró conectar el cableado y cambiar las cosas sin romperlas ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Washington en St. Louis . Original escrito por Diana Lutz. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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