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Mar 25, 2023

El análisis de células vegetales individuales proporciona información sobre la biosíntesis de productos naturales

La vincapervinca de Madagascar (Catharanthus roseus) de la familia de las adelfas produce una

La vincapervinca de Madagascar (Catharanthus roseus) de la familia de las adelfas produce una serie de alcaloides de interés médico. Los análisis a nivel celular permitieron descubrir genes para la biosíntesis de los dos productos naturales más importantes de la planta, la vincristina y la vinblastina, que se utilizan en tratamientos contra el cáncer.

ATENAS — Un equipo internacional de investigadores de la Universidad de Georgia y el Instituto Max Planck de Ecología Química en Alemania han descubierto una estrategia prometedora para descifrar las vías metabólicas de los compuestos vegetales importantes en los tratamientos médicos, según un nuevo estudio publicado en Nature Chemical Biology. .

Dirigido por Chenxin Li del Centro de Tecnologías Genéticas Aplicadas de la Facultad de Ciencias Agrícolas y Ambientales de la UGA, el equipo de investigación estudió la biosíntesis de dos alcaloides de la vincapervinca de Madagascar (Catharanthus roseus) que se utilizan como agentes anticancerígenos en la medicina humana. Los genes para la formación de estos principios activos se expresan en diferentes tipos de células.

Mediante el uso de análisis de células individuales, los científicos pudieron descubrir nuevos genes importantes para la biosíntesis y demostrar que los intermediarios de la ruta metabólica se acumulan en tipos de células específicos. Los intermedios son moléculas que son los precursores o metabolitos de moléculas biológicamente significativas.

Los investigadores predicen que este enfoque metodológico proporcionará nuevos e importantes conocimientos sobre la biosíntesis de muchos otros productos naturales del reino vegetal.

Las plantas son impresionantes por su diversidad, especialmente por la variedad de metabolitos que producen. Muchos productos vegetales naturales están compuestos de moléculas altamente complejas, como los alcaloides vincristina y vinblastina, que son producidos por la vincapervinca de Madagascar. Estas dos sustancias ya son indispensables en la terapia contra el cáncer, y los investigadores están interesados ​​en descubrir qué pasos biosintéticos individuales se requieren para formar las moléculas complejas.

“Actualmente, estos compuestos todavía se obtienen en cantidades muy pequeñas del extracto de la hoja de la planta. Podemos aprender de la planta cómo se produce este compuesto y utilizar este conocimiento para desarrollar sistemas de producción que sean más rentables, escalables y sostenibles”, dijo. Li, primer autor del estudio, describiendo el objetivo de la investigación.

Los científicos saben que la actividad de los genes difiere entre las células de una planta y que la química puede diferir drásticamente de una célula a otra. El objetivo del estudio reciente fue utilizar un nuevo conjunto de métodos denominados colectivamente ómicas unicelulares para investigar tipos de células raras y especializadas que desempeñan un papel central en la biosíntesis de productos naturales de plantas, y cuyas señales a menudo son oscurecidas por células más abundantes. tipos en los órganos de las plantas.

"Con la ómica unicelular, tenemos un método que permite a los investigadores asignar información genética y metabólica a células individuales", dijo Lorenzo Caputi, jefe del Grupo del Proyecto de Biosíntesis de Alcaloides en el Departamento de Biosíntesis de Productos Naturales del MPI y uno de los autores principales. , dicho. "El término 'ómica' se refiere al hecho de que se cuantifica y analiza una colección completa de genes o metabolitos".

Como mostraron los análisis, toda la ruta biosintética del alcaloide vinblastina se organiza en tres etapas y tres tipos de células discretas.

"La primera etapa se expresa exclusivamente en células especializadas asociadas con haces vasculares en la hoja, llamadas IPAP", dijo Li. "La segunda etapa de la ruta biosintética se expresa solo en las células de la epidermis, la capa de células que cubre las hojas, y los últimos pasos conocidos de la ruta biosintética se expresan exclusivamente en los idioblastos, un tipo celular raro de la hoja".

Los investigadores midieron las concentraciones de varios intermediarios en la ruta metabólica de la vinblastina en células individuales y se sorprendieron con los resultados.

"Dos precursores importantes de la vinblastina, la catarantina y la vindolina, se encuentran en las células idioblásticas en concentraciones milimolares, aproximadamente tres órdenes de magnitud más altas que la propia vinblastina", dijo Sarah O'Connor, jefa del Departamento de Biosíntesis de Productos Naturales del MPI. "La concentración de los dos precursores en estas células fue mucho más alta de lo que esperábamos e incluso superó sus concentraciones en extractos de órganos completos.

"Sin embargo, esta observación tiene sentido porque la catarantina y la vindolina se encontraron solo en las raras células idioblásticas. Las abundantes otras células en la hoja diluyen la alta concentración cuando se trituran las hojas enteras".

Los miembros del equipo de investigación dicen que confían en que la organización de las vías biosintéticas de los alcaloides con relevancia médica en Catharanthus roseus no sea un fenómeno aislado.

"Recién estamos comenzando a comprender cómo y por qué existe una organización específica de este tipo de células", dijo Robin Buell, presidente eminente académico de Georgia Research Alliance en genómica de cultivos en UGA. “Además, el análisis de genes expresados ​​simultáneamente en un tipo de célula en particular nos ha ayudado a identificar nuevos actores en esta vía metabólica. La misma técnica se puede utilizar para estudiar la biosíntesis de muchos otros productos naturales.

"Finalmente, los sitios exactos de acumulación de compuestos vegetales, como la epidermis, el sistema vascular o el conducto de látex, pueden ayudarnos a formular hipótesis sobre las funciones ecológicas de los productos naturales. Por ejemplo, dependiendo del patrón de acumulación, los compuestos pueden ser más más efectivos contra los insectos que pican que contra los insectos chupadores de savia".

Una mejor comprensión de las vías biosintéticas de los medicamentos contra el cáncer vincristina y vinblastina también puede ayudar a producir o recolectar estos compuestos de manera más efectiva a largo plazo. El uso de los métodos descritos también es prometedor para el estudio de muchos otros productos naturales interesantes y médicamente importantes del reino vegetal.

El enfoque descrito en el estudio ayudará a reducir estas células raras y especializadas y descubrir las actividades genéticas y la química que les son exclusivas.

Maria M. Lameiras es editora gerente de la Facultad de Ciencias Agrícolas y Ambientales de la Universidad de Georgia.

Publicado originalmente en albanyherald.com, parte de BLOX Digital Content Exchange.

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