El fascinante y complejo sistema defensivo de las plantas

Bürger and WIllige / Salk Institute

Mientras estudiaban un mecanismo por el cual las plantas se protegen de las infecciones bacterianas, científicos del Instituto Salk en California descubrieron una potencial forma de proteger los cultivos de plagas perniciosas. La investigación ha sido publicada en la revista Nature Comunications.

El estudio, liderado por Joanne Chory, investigadora del Instituto Médico Howard Hughes y directora del Laboratorio de Biología Molecular y Celular de Plantas del Instituto Salk, arroja luz sobre la resistencia de las plantas a las infecciones y podría conducir a estrategias para aumentar la inmunidad natural de las plantas o para contener mejor las infecciones que amenazan con destruir los cultivos agrícolas.

"Hay muchas pérdidas en los rendimientos de cultivos debido a bacterias que matan las plantas", dijo Chory, quien también es ganadora del Premio Breakthrough en 2018 en Ciencias de la Vida. "Con este trabajo, nos propusimos comprender el mecanismo subyacente de cómo funciona la resistencia, y para ver qué tan general es".

Una de las formas en que las plantas luchan contra las infecciones bacterianas es eliminando sus propias células en las que se detectan las proteínas bacterianas. Pero algunas bacterias han desarrollado una estrategia opuesta: inyectan proteínas especiales que suprimen la respuesta inmune de la planta al agregar pequeñas etiquetas químicas inhabilitantes, llamadas grupos acetilo, a las moléculas inmunes en un proceso llamado acetilación.

Aun no queda claro por qué ciertas plantas pueden resistir estas contramedidas bacterianas, mientras que otras sucumben a la infección.

Para comprender mejor las interacciones entre patógenos y plantas, los científicos experimentaron con la especie Arabidopsis thaliana y, en particular, se enfocaron en una enzima llamada SOBER1, que se sabía suprimía la respuesta inmune de la planta a una proteína bacteriana llamada AvrBsT. Si bien puede parecer contradictorio usar la supresión inmune para estudiar la resistencia a la infección, los biólogos pensaron que al hacerlo podrían obtener información útil.

SOBER1 muy similar a una enzima humana relacionada con el cancer

Los investigadores comenzaron determinando la secuencia de aminoácidos de SOBER1, el orden particular de los componentes básicos que le da a una proteína su identidad básica. Curiosamente, encontraron que era muy similar a una enzima humana relacionada con el cáncer. Esta enzima contiene un túnel característico en donde pueden caber y cortarse proteínas con ciertos tipos de modificaciones como parte de la reacción enzimática.

Resulta que SOBER1 puede clasificarse como parte de una gran superfamilia de proteínas conocida como alfa/beta hidrolasas. Estas enzimas comparten una estructura central común pero son muy flexibles en las reacciones químicas que catalizan, que van desde la descomposición de las grasas hasta la desintoxicación de sustancias químicas llamadas peróxidos.

Luego, utilizaron una técnica llamada cristalografía de rayos X para determinar la estructura tridimensional de SOBER1. Si bien es similar a la enzima humana, el túnel de la enzima de la planta tiene dos aminoácidos adicionales que sobresalen de la parte superior: uno en la entrada y otro en el medio.

"Cuando los vimos, nos dimos cuenta de que debían tener un efecto dramático en la función porque básicamente bloquean el túnel", dice Marco Bürger, investigador asociado de Salk y primer autor del estudio.

Para descubrir cuál podría ser el propósito, Bürger y su colega Björn Willige, utilizaron sustratos (moléculas sobre las que actúan las enzimas) con diferentes longitudes y probaron bioquímicamente qué tan bien encajaban en la enzima y si podían cortarse. Solo ciertos tipos pueden lograrlo: los grupos de acetilo muy cortos.

Esto sugirió que SOBER1 era una desacetilasa, una clase de enzima que elimina los grupos acetilo. Además, el equipo mutó SOBER1 y abrió así el túnel bloqueado. Con este cambio, diseñaron una enzima que perdió su fuerte especificidad para los grupos de acetilo cortos y en cambio prefirieron sustratos más largos.

"Para los experimentos bioquímicos iniciales, utilizamos sustratos artificiales establecidos", dice Willige. "Pero luego queríamos ver qué pasaría en las plantas". Para eso, utilizaron plantas de tabaco (que tienen hojas grandes y fáciles de trabajar) y una bacteria productora de AvrBsT, que se sabe desencadena la acetilación. Produjeron AvrBsT (bacterias) en diferentes regiones de hojas de tabaco junto con SOBER1 y varias versiones mutadas no funcionales de la enzima.

Los resultados y su posible aplicación en los cultivos

Las hojas con AvrBsT tenían parches marrones de tejido muerto, lo que indicaba que el AvrBsT había activado la respuesta de la planta y ésta estaba matando células para reducir la diseminación sistémica del patógeno. Las hojas que produjeron AvrBsT junto con SOBER1 se vieron saludables, lo que indica que SOBER1 invirtió la acción de AvrBsT.

Sorprendentemente, las versiones SOBER1 mutadas con un túnel abierto no pudieron evitar la muerte del tejido. A partir de esto, los investigadores concluyeron que la desacetilación debe ser la reacción química subyacente que conduce a la supresión de la respuesta inmune de la planta.

Las pruebas en el tabaco respaldaron la idea de que SOBER1 es una desacetilasa que eliminaría los grupos acetilo añadidos por las proteínas bacterianas. Sin los grupos de acetilo que marcaban las proteínas, la planta no los reconocía como extraños y, por lo tanto, no generaba una respuesta inmune que destruyera las células. Las hojas parecían más saludables porque las células no morían, pero en realidad estaban infectadas.

"La función de SOBER1 es sorprendente porque mantiene vivo el tejido infectado, lo que pone a la planta en riesgo", dice Chory. "Pero recién estamos comenzando a entender este tipo de mecanismos, y podría haber condiciones en las que las acciones de SOBER1 sean beneficiosas".

Pruebas adicionales mostraron que la actividad y función de SOBER1 no está restringida solo a la Arabidopsis thaliana, por lo que podría aplicarse a cultivos agrícolas y recursos de biocombustibles. Ahora, Bürger y Willige quieren comenzar a detectar inhibidores químicos que puedan bloquear a SOBER1, permitiendo así que las plantas tengan una respuesta inmunitaria completa frente a las bacterias patógenas.

Además de su sistema inmune, las plantas poseen otras características igual de fascinantes. Por ejemplo, recientemente un estudio encontró que son capaces de tomar decisiones en función a sus propios competidores.

 

Victor Román
Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma


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