Uma equipe de pesquisa liderada pelo Whitehead Institute for Biomedical Research aproveitou as tecnologias metabolômicas para desvendar as atividades moleculares de uma proteína-chave que pode permitir que as plantas resistam a um herbicida comum. Suas descobertas revelam como a proteína - uma espécie de catalisador ou enzima, primeiro isolado em bactérias e introduzido em plantas, incluindo safras como milho e soja, na década de 1990 - às vezes pode agir de forma imprecisa, e como ele pode ser reprojetado com sucesso para ser mais preciso. O novo estudo, que aparece online no jornal Plantas Naturais , eleva os padrões da bioengenharia no século 21.

"Nosso trabalho ressalta um aspecto crítico da bioengenharia que agora estamos nos tornando tecnicamente capazes de abordar, "diz o autor sênior Jing-Ke Weng, um membro do Instituto Whitehead e professor assistente de biologia no Instituto de Tecnologia de Massachusetts. "Sabemos que as enzimas podem se comportar indiscriminadamente. Agora, temos os recursos científicos para detectar seus efeitos colaterais moleculares, e podemos aproveitar esses conhecimentos para projetar enzimas mais inteligentes com maior especificidade. "

As plantas fornecem um modelo extraordinário para os cientistas estudarem como o metabolismo muda ao longo do tempo. Porque eles não podem escapar de predadores ou procurar novas fontes de alimento quando os suprimentos acabam, as plantas muitas vezes precisam lidar com uma série de insultos ambientais usando o que está prontamente disponível - sua própria bioquímica interna.

"Embora pareçam estar estacionários, as plantas têm sistemas metabólicos em rápida evolução, "Weng explica." Agora, podemos obter uma visão sem precedentes dessas mudanças por causa de técnicas de ponta, como a metabolômica, permitindo-nos analisar metabólitos e outros compostos bioquímicos em larga escala. "

Os principais participantes desse processo evolutivo - e um dos principais focos da pesquisa no laboratório de Weng - são as enzimas. Tradicionalmente, esses catalisadores naturais foram vistos como mini-máquinas, tomando o material inicial adequado (ou substrato) e convertendo-o perfeitamente no produto correto. Mas Weng e outros cientistas agora reconhecem que cometem erros - muitas vezes por se agarrarem a um substrato não intencional. "Este conceito, conhecido como promiscuidade enzimática, tem uma variedade de implicações, tanto na evolução da enzima e de forma mais ampla, em doenças humanas, "Weng diz.

Também tem implicações para a bioengenharia, como Bastien Christ, um pós-doutorado no laboratório de Weng, e seus colegas descobriram recentemente.

Cristo, em seguida, um estudante de graduação no laboratório de Stefan Hörtensteiner na Universidade de Zurique, na Suíça, estava estudando uma cepa específica da planta com flor Arabidopsis thaliana como parte de um projeto separado, e ele fez uma observação intrigante:dois compostos bioquímicos foram encontrados em níveis excepcionalmente altos em suas folhas.

Estranhamente, esses compostos (chamados de acetil-aminoadipato e acetil-triptofano) não estavam presentes em nenhum dos normais, as chamadas plantas de "tipo selvagem". Enquanto ele e seus colegas procuravam uma explicação, eles restringiram a fonte:uma enzima, chamado BAR, que foi projetado nas plantas como uma espécie de farol químico, permitindo aos cientistas estudá-los mais prontamente.

Mas o BAR é mais do que apenas uma ferramenta para cientistas. É também uma das características mais comumente implantadas em plantações geneticamente modificadas, como soja, milho, e algodão, permitindo-lhes resistir a um herbicida amplamente utilizado (conhecido como fosfinotricina ou glufosinato).

Por décadas, cientistas sabem que BAR, originalmente isolado de bactérias, pode tornar o herbicida inativo aderindo a uma pequena série de produtos químicos, feito de dois carbonos e um oxigênio (também chamado de grupo acetil). Como os pesquisadores descrevem em seu artigo da Nature Plants, tem um lado promíscuo, e pode trabalhar em outros substratos, também, como os aminoácidos triptofano e aminoadipato (um derivado da lisina).

Isso explica porque eles podem detectar os produtos indesejados (acetil-triptofano e acetil-aminoadipato) em plantações geneticamente modificadas para transportar BAR, como soja e canola.

Sua pesquisa incluiu estudos detalhados da proteína BAR, incluindo estruturas cristalinas da proteína ligada aos seus substratos. Isso lhes forneceu um plano de como modificar estrategicamente o BAR para torná-lo menos promíscuo, e privilegie apenas o herbicida como substrato e não os aminoácidos. Cristo e seus colegas criaram várias versões que não possuem a atividade não específica da proteína BAR original.

"Estes são catalisadores naturais, então, quando os pegamos emprestados de um organismo e os colocamos em outro, eles podem não ser necessariamente perfeitos para os nossos propósitos, "Cristo diz." Reunir esse tipo de conhecimento fundamental sobre como as enzimas funcionam e como suas influências de estrutura funcionam pode nos ensinar como selecionar as melhores ferramentas para a bioengenharia. "

Existem outras lições importantes, também. Quando o traço BAR foi avaliado pela primeira vez pelo FDA dos EUA - em 1995, para uso em canola, e nos anos subsequentes para outras safras - a metabolômica era praticamente inexistente como tecnologia para pesquisa biomédica. Portanto, não poderia ser aplicado para a caracterização de plantas e alimentos geneticamente modificados, como parte de sua revisão regulatória. No entanto, acetil-aminoadipato e acetil-triptofano, que estão normalmente presentes em humanos, foram revisados ​​pelo FDA e são seguros para consumo humano e animal.

Weng e seus colegas acreditam que seu estudo é um caso forte para considerar as análises metabolômicas como parte do processo de revisão para futuras safras geneticamente modificadas. "Este é um conto preventivo, "Weng diz.