Estudos ambientais mostraram que 40% do dióxido de carbono (CO2) atmosférico passa pelos estômatos das plantas a cada ano. Assim, o controle do desenvolvimento e função estomáticos é considerado a chave para aumentar a produtividade das plantas agrícolas e a eficiência do uso da água. Os estômatos são poros encontrados nas folhas das plantas, responsáveis ​​pelas trocas gasosas com o meio ambiente. Como foi relatado que os níveis de CO2 na luz e na atmosfera influenciam o número de estômatos, químicos sintéticos e biólogos vegetais do Instituto de Bio-moléculas Transformativas (ITbM) da Universidade de Nagoya, decidiram explorar este tópico usando uma abordagem química e tiveram sucesso no desenvolvimento de pequenas moléculas para aumentar o número de estômatos nas folhas das plantas. O resultado deste estudo foi publicado no jornal, Comunicações Químicas .

Usando um modelo de planta com flor, Arabidopsis thaliana, O grupo de pesquisa da ITbM realizou uma triagem química de pequenas moléculas selecionadas descobertas na biblioteca química da ITbM e identificou duas moléculas (CL1 e CL2) com uma estrutura semelhante à do anti-inflamatório não esteroidal, Celecoxib. Embora CL1 e CL2 aumentem o número de estômatos nas folhas das plantas, eles eram tóxicos para as plantas quando aplicados em altas concentrações.

Incentivado pelo efeito de aumento dos estômatos da planta de CL1 e CL2, a equipe projetou a estrutura das moléculas para desenvolver novos compostos que podem aumentar o número de estômatos, enquanto minimiza a toxicidade após a exposição da planta aos compostos em altas concentrações. A equipe sintetizou e testou pequenas moléculas ausentes do grupo trifluorometil (CF3) na posição C3 (ZA155) ou do grupo aril na posição C5 (ZA099) no pirazol (um heterociclo de 5 membros consistindo em três átomos de carbono e anel de dois átomos de nitrogênio adjacentes). Como resultado, a equipe descobriu que embora ambos os compostos levassem a um aumento no número de estômatos, ZA155 levou à inibição do crescimento da planta, enquanto ZA099 não.

“Comecei esta pesquisa quando cheguei ao ITbM em 2015, "diz o Dr. Asraa Ziadi, um pesquisador de pós-doutorado no ITbM que sintetizou principalmente as moléculas. "Com minha formação em química organometálica, Eu queria fazer algo diferente, mas ainda assim usar minha experiência. "

A equipe de química sintética foi liderada pelo professor Kenichiro Itami, o diretor do centro de ITbM, e eles desenvolveram uma metodologia de arilação C – H catalisada por paládio rápida que permitiria a síntese direta de uma variedade de derivados de aril pirazol de ZA099 e seus brometos de arila correspondentes, na esperança de aumentar o número de estômatos, evitando a inibição do crescimento. Usando seu novo método sintético, eles foram capazes de substituir diretamente o átomo de hidrogênio (H) conectado ao átomo de carbono (C) no anel do pirazol por vários anéis aromáticos (funcionalização C – H), a fim de conduzir estudos de relacionamento entre estrutura e atividade.

Ao investigar o efeito das pequenas moléculas sintetizadas no número de estômatos das plantas, foi observado que um composto contendo cloro (ZA139) gerou alta densidade estomática nas folhas, mas era extremamente tóxico para a planta, levando a uma forma estomática anormal. Como o ZA143 contendo metoxi levou a um pequeno aumento no número de estômatos e não foi gravemente tóxico para a planta, o grupo pensou que talvez o análogo de sulfonamida ZA160 tivesse um desempenho melhor. O composto, Contudo, não aumentou o número de estômatos nas folhas das plantas e levou à inibição do crescimento.

Próximo, a equipe voltou sua atenção para a síntese e teste de diferentes compostos substituídos com anisol (metoxibenzeno) que poderiam aumentar o número de estômatos sem inibir o crescimento das plantas. De fato, eles foram capazes de identificar ZA144 substituído com orto-anisil, que tem o grupo metoxi na posição orto, como a molécula mais eficaz em aumentar o número de estômatos sem toxicidade grave.

“O melhor momento dessa pesquisa foi montar o experimento biológico e ver o aumento do número de estômatos nas folhas das plantas ao microscópio, "descreve Ziadi." Lembro-me de pensar "minhas moléculas fizeram isso!"; esta foi uma sensação ótima. "

Experimentos biológicos em plantas foram conduzidos por um grupo de biólogos vegetais, liderado pela professora Keiko Torii, um investigador principal da ITbM que também ocupa um cargo na Universidade de Washington. Ziadi trabalhou em estreita colaboração com o biólogo vegetal Naoyuki Uchida, que é professor associado do grupo do professor Torii, e fala sobre os desafios de fazer pesquisas biológicas como químico.

"Para mim, era entender a biologia por trás da descoberta, "diz Ziadi." Como um químico sintético, seu papel geralmente termina quando a molécula foi sintetizada. Mas na ITbM, você consegue ver o que as moléculas podem fazer. Isso é muito interessante! Fiquei muito intrigado com a ideia de sintetizar moléculas que podem dar mudanças visuais e claras na planta. "

"Eu sempre fiquei surpreso que, toda vez que eu contava a Asraa sobre os efeitos das moléculas que ela sintetizou no número de estômatos e no crescimento das plantas, ela começou a sintetizar mais moléculas com melhores efeitos no mesmo dia, "descreve Uchida." Essa colaboração incrivelmente rápida entre biólogos e químicos só foi possível em um ambiente de pesquisa como o nosso instituto, onde biólogos e químicos trabalham juntos um ao lado do outro. Gostamos muito dessa colaboração. "

A chave para o sucesso do grupo em identificar uma pequena molécula que pode aumentar o número de estômatos da planta foi o desenvolvimento de uma reação de funcionalização C – H por químicos sintéticos que permite a rápida derivatização de anéis aromáticos. Isso acelerou a pesquisa de biologia vegetal para acessar uma série de moléculas bioativas, que induz o desenvolvimento estomático desejável sem inibir o crescimento da planta.

Investigações adicionais usando seus compostos de pirazol bioativos podem levar ao esclarecimento do mecanismo por trás da diferenciação estomática mediada por pirazol. Isso pode levar à possível identificação e síntese de compostos que podem aumentar a biomassa por meio do controle estomático.

"Aprendi que a colaboração entre biólogos e químicos é muito poderosa, "diz Ziadi." Você pode aprender muitas coisas e discutir o projeto sob diferentes aspectos. No meu caso, para entender melhor o projeto, Comecei a me educar sobre os estomas e os diferentes mecanismos que podem estar envolvidos no desenvolvimento estomático. Foi difícil, Mas felizmente, Estou em um instituto onde estou rodeado por excelentes pesquisadores de diferentes disciplinas. "