Las plantas se encuentran entre los convertidores de energía más eficaces de la Tierra. Capturan la energía solar y la convierten en compuestos a base de carbono que se utilizan para generar energía y también para construir componentes esenciales de la planta, incluidas las paredes celulares que rodean cada una de las células vegetales.En un nuevo estudio de genética bioquímica en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, los científicos revelan nuevos detalles de la maquinaria molecular que ayuda a canalizar el carbono en un componente clave de la pared celular.
Aprender cómo las células vegetales controlan la construcción de sus soportes exteriores podría ayudar a los científicos a idear nuevas formas de promover el almacenamiento de carbono en estas estructuras o facilitar la conversión de biomasa basada en carbono en biocombustibles y otros productos útiles.
El estudio, publicado en Plantas naturales , informa cómo dos proteínas incrustadas en las membranas dentro de las células vegetales sirven como un andamio para organizar tres enzimas clave que canalizan específicamente el carbono en la síntesis de un polímero de la pared celular llamado lignina.
La lignina es esencial para que las plantas crezcan erguidas y representa un componente sustancial de almacenamiento de carbono de las plantas. Pero debido a que rodea a los otros componentes de la pared celular, celulosa y hemicelulosa, la lignina protege estas sustancias ricas en carbono de los agentes bioquímicos.procesos comúnmente utilizados para convertirlos en combustibles u otros bioproductos. Comprender los detalles de la síntesis de lignina, en particular, podría ofrecer pistas sobre cómo superar este desafío.
Las tres enzimas establecen las características estructurales de los componentes bioquímicos conocidos como monolignol, que se unen para formar lignina. Los científicos anteriormente pensaban que estas enzimas estaban asociadas entre sí y servían como sitios de anclaje para organizar la síntesis de monolignol.
"Comenzamos este proyecto para estudiar las interacciones de estas tres enzimas en detalle", dijo el bioquímico de Brookhaven y líder del proyecto Chang-Jun Liu. "Descubrimos que aunque las tres enzimas están ubicadas cerca una de la otra en una membrana conocida comoretículo endoplásmico, no interactúan directamente. En cambio, dos proteínas separadas interactúan con las tres enzimas ".
Las proteínas separadas son "proteínas de unión a esteroides de membrana" MSBP, por sus siglas en inglés incrustadas en el retículo endoplásmico, una "carretera" interior de membranas revestida con máquinas moleculares que fabrican proteínas y transportan esos productos dentro o fuera de las células.
"Estas proteínas unidas a la membrana sirven como un andamio para organizar y estabilizar las tres enzimas en un tipo de maquinaria molecular que controla la vía metabólica que canaliza el carbono específicamente en la construcción de precursores de lignina", dijo Liu.
Tener las enzimas involucradas en pasos secuenciales de una vía metabólica organizadas espacialmente cerca unas de otras puede mejorar la eficiencia de esa vía, anotó Liu. Pero los detalles de cómo se organizan las enzimas de biosíntesis de monolignol eran difíciles de alcanzar antes de este estudio.
Detalles del estudio
"Comenzamos buscando evidencia de interacciones directas entre las enzimas de biosíntesis de monolignol", dijo Liu. Usaron técnicas bioquímicas en cultivos de células de levadura, que a menudo se utilizan como un sistema modelo para estudiar interacciones proteína-proteína. Pero al no encontrar interacciones- lo cual fue una sorpresa - repitieron los estudios en cultivos de células vegetales.
En estos estudios, los científicos utilizaron técnicas de imagen y etiquetado fluorescente para localizar las proteínas dentro de las células vegetales. Esta vez, sus hallazgos confirmaron que las tres enzimas estaban ubicadas cerca una de la otra a lo largo del retículo endoplásmico, lo que implica una interacción.
"La contradicción de los resultados entre estos dos ensayos nos indicó que las interacciones de las tres enzimas observadas mediante imágenes de fluorescencia podrían haber sido indirectas, y sugirió que proteínas o factores adicionales podrían mediar la asociación entre las enzimas in vivo".Dijo Liu.
Para probar esa hipótesis, los científicos hicieron tres enzimas para fusionarse con etiquetas específicas y las produjeron en células vegetales. Luego, sacaron esas enzimas de las células y examinaron todas las proteínas que salieron junto con tres enzimas. Esos estudios,utilizando espectrometría de masas acoplada a cromatografía líquida, identificaron dos proteínas de unión a esteroides de membrana que acompañaban a las tres enzimas. Los científicos también demostraron que las proteínas de unión a esteroides de membrana pueden asociarse entre sí o entre sí para formar grupos de proteínas.
"Esas observaciones sugirieron fuertemente que las MSBP organizan las enzimas de biosíntesis de monolignol en un complejo de proteínas multimérico o grupo enzimático", dijo Liu.
"Con ese tipo de organización, las tres enzimas podrían ubicarse cerca una de la otra sin tener necesariamente interacciones directas", agregó. Tal disposición ayudaría a impulsar la síntesis de lignina al mantener las enzimas y su cofactor común cerca uno del otro en niveles altosconcentraciones suficientes para transferir eficazmente los sustratos de carbono y los electrones necesarios para que se produzcan reacciones químicas eficientes.
Para probar el papel de las MSBP, los científicos crearon líneas de plantas en las que se suprimieron los genes de estas proteínas. Si bien esas plantas aún podían producir las tres enzimas de síntesis de monolignol, terminaron con una cantidad significativamente menor de lignina.
Además, dicha supresión no afectó la formación de otra clase de productos químicos estrechamente relacionados cuya síntesis requiere una de las tres enzimas de síntesis de monolignol.
Estos datos convencieron a los científicos de que la organización enzimática mediada por MSBP facilita específicamente la formación de lignina.
El trabajo experimental fue realizado por el asociado de investigación postdoctoral Mingyue Gou y Xiuzhi Ran, un académico visitante en el grupo de Liu en Brookhaven Lab. Dwight Martin de la Universidad de Stony Brook brindó ayuda en la secuenciación de proteínas y la deposición de datos.
El trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias del DOE y utilizó un microscopio confocal en el Centro de Nanomateriales Funcionales CFN, que es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. El análisis de la secuencia de proteínas fue apoyado parcialmente por elCenter for Lignocellulose Structure and Formation, un Centro de Investigación de Fronteras Energéticas de la Oficina de Ciencia del DOE dirigido por la Universidad de Penn State.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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