Bioquímicos de plantas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA descobriram um novo nível de regulação na “maquinaria” bioquímica que as plantas usam para converter carbono orgânico derivado da fotossíntese em uma variedade de moléculas aromáticas em forma de anel. A pesquisa, publicada recentemente na revista Avanços da ciênciasugere novas estratégias para controlar a bioquímica vegetal para aplicações agrícolas e industriais.
“Nosso estudo revela a complexidade e a versatilidade há muito negligenciadas de um conjunto chave de enzimas conhecidas como monooxigenases do citocromo P450”, disse o principal autor do estudo, Chang-Jun Liu, do departamento de biologia do Brookhaven Lab. “Essas enzimas operam como uma máquina sintética para produzir uma ampla gama de compostos aromáticos nas plantas – incluindo compostos que constroem o esqueleto e a vasculatura à prova d’água das plantas e outros que fornecem defesa contra invasões de insetos e radiação ultravioleta (UV)”.
Descobrir a complexidade de como essas enzimas são reguladas fornece um novo conjunto de ferramentas genéticas que os cientistas podem usar para controlar com precisão quais compostos são produzidos em diferente partes de uma planta. O trabalho pode ajudar a facilitar o armazenamento de carbono a longo prazo e a utilização neutra em carbono da biomassa vegetal para aplicações energéticas, melhorar as propriedades nutricionais das plantas ou aumentar sua resistência a doenças e condições ambientais adversas.
maquinaria molecular
Os cientistas sabem há muito tempo que as enzimas P450 não trabalham sozinhas para determinar as características estruturais e biológicas dos compostos aromáticos.
“Para fazer as máquinas P450 funcionarem, elas precisam de moléculas parceiras para fornecer elétrons. Esses elétrons agem como uma fonte de energia para abastecer a máquina”, explicou Liu.
Convencionalmente, os cientistas pensavam que os P450 interagiam principalmente com um doador geral de elétrons chamado citocromo P450 redutase para produzir uma variedade de compostos aromáticos. Mas o novo estudo mostra que diferentes P450s se associam seletivamente a diferentes doadores de elétrons (e cadeias de transporte de elétrons) para conduzir suas atividades. Ademais, os pesquisadores descobriram que a mesma enzima P450 pode usar diferentes doadores de elétrons e cadeias de transporte de elétrons em diferentes partes de uma planta – caules, folhas e sementes – para produzir diferentes classes de aromáticos.
Os cientistas fizeram essas descobertas analisando os compostos aromáticos acumulados em diferentes partes das plantas nas quais os genes para diferentes doadores de elétrons foram deletados seletivamente.
“Ao eliminar esses genes, conseguimos determinar as contribuições de distintos doadores de elétrons, identificando quais impulsionam a produção de diferentes aromáticos em diferentes partes da planta”, disse Liu. “Em seguida, em células de levedura, remontamos diferentes cadeias de transporte de elétrons em combinação com enzimas P450 de plantas para imitar as reações nas plantas. Esses estudos nos ajudaram a verificar as contribuições de doadores de elétrons individuais e cadeias de transporte no apoio à atividade de P450.”
O trabalho experimental foi conduzido principalmente pelo pesquisador de pós-doutorado Xianhai Zhao sob a orientação de Liu.
“As plantas desenvolveram vários genes homólogos para doadores de elétrons”, explicou Zhao, “portanto, precisávamos criar plantas com deleções de genes únicos e combinações de genes. Em seguida, examinamos as mudanças na distribuição de produtos aromáticos ao longo da planta desenvolvimento.”
“Também realizamos uma análise comparativa abrangente da expressão de genes doadores de elétrons e da abundância de moléculas de fonte de elétrons em diferentes partes da planta e medimos as taxas de transferência de elétrons de diferentes cadeias de transporte”, acrescentou Zhao.
Esses experimentos ajudaram os cientistas a identificar as razões pelas quais certas enzimas P450 se associaram a diferentes cadeias de transporte de elétrons em diferentes partes da planta.
Próximos passos
O conhecimento adquirido fornece aos cientistas um novo conjunto de ferramentas genéticas que eles podem manipular para controlar a produção aromática.
“Podemos manipular doadores de elétrons específicos – em vez dos P450s – para suprimir um conjunto distinto de aromáticos e alcançar o resultado desejado”, disse Liu.
Por exemplo, a redução de um composto aromático conhecido como lignina nos caules pode tornar as plantas mais fáceis de quebrar e converter em biocombustíveis. Reduzir os níveis de certos aromáticos nas sementes pode melhorar seu valor nutricional.
“O conhecimento detalhado apresentado neste estudo nos permite fazer mudanças selecionadas em uma parte de uma planta sem afetar outra – como o acúmulo de compostos aromáticos que fornecem filtro solar UV nas folhas”, disse Liu.
A equipe de Brookhaven planeja testar essas estratégias de manipulação genética para otimizar os cultivos de bioenergia. Eles também conduzirão estudos adicionais usando microscópios crioeletrônicos no Laboratório de Brookhaven para Estrutura BioMolecular para entender os detalhes em nível atômico que impulsionam as parcerias seletivas entre enzimas P450 e doadores de elétrons específicos.
“Explorar a base molecular para a associação seletiva de doadores de elétrons P450 nos ajudará a entender melhor como o sistema P450 opera”, disse Liu. “Isso, por sua vez, nos permitirá potencialmente criar sistemas enzimáticos mais eficientes para produzir os bioprodutos desejados e aumentar a conversão e o armazenamento do carbono obtido por meio da fotossíntese”.
Este trabalho foi financiado pelo DOE Office of Science (BES). Esta pesquisa usou um microscópio confocal no Centro de Nanomateriais Funcionais do Brookhaven Lab, uma instalação do usuário do US DOE Office of Science.
Com informações de Science Daily.