Un team di ricerca guidato dal Whitehead Institute for Biomedical Research ha sfruttato le tecnologie metabolomiche per svelare le attività molecolari di una proteina chiave che può consentire alle piante di resistere a un comune erbicida. Le loro scoperte rivelano come la proteina, una sorta di catalizzatore o enzima, prima isolato nei batteri e introdotto nelle piante, comprese colture come mais e soia, negli anni '90, a volte può agire in modo impreciso, e come può essere riprogettato con successo per essere più precisi. Il nuovo studio, che appare online sulla rivista piante naturali , innalza gli standard della bioingegneria nel 21° secolo.

"Il nostro lavoro sottolinea un aspetto critico della bioingegneria che ora stiamo diventando tecnicamente in grado di affrontare, " dice l'autore senior Jing-Ke Weng, un membro del Whitehead Institute e un assistente professore di biologia presso il Massachusetts Institute of Technology. "Sappiamo che gli enzimi possono comportarsi indiscriminatamente. Ora, abbiamo le capacità scientifiche per rilevare i loro effetti collaterali molecolari, e possiamo sfruttare queste intuizioni per progettare enzimi più intelligenti con una maggiore specificità".

Le piante forniscono agli scienziati un modello straordinario per studiare come cambia il metabolismo nel tempo. Poiché non possono sfuggire ai predatori o cercare nuove fonti di cibo quando le scorte scarseggiano, le piante devono spesso affrontare una serie di insulti ambientali usando ciò che è prontamente disponibile:la loro biochimica interna.

"Anche se sembrano fermi, le piante hanno sistemi metabolici in rapida evoluzione, " Weng spiega. "Ora, possiamo ottenere una visione senza precedenti di questi cambiamenti grazie a tecniche all'avanguardia come la metabolomica, permettendoci di analizzare metaboliti e altre sostanze biochimiche su larga scala".

I protagonisti di questo processo evolutivo, e uno dei principali obiettivi della ricerca nel laboratorio di Weng, sono gli enzimi. Tradizionalmente, questi catalizzatori naturali sono stati visti come mini-macchine, prendendo il materiale di partenza appropriato (o substrato) e convertendolo in modo impeccabile nel prodotto corretto. Ma Weng e altri scienziati ora riconoscono di commettere errori, spesso attaccandosi a un substrato involontario. "Questo concetto, nota come promiscuità enzimatica, ha diverse implicazioni, sia nell'evoluzione enzimatica che più in generale, nella malattia umana, " dice Weng.

Ha anche implicazioni per la bioingegneria, come Bastien Cristo, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Weng, e i suoi colleghi hanno scoperto di recente.

Cristo, poi uno studente laureato nel laboratorio di Stefan Hörtensteiner presso l'Università di Zurigo in Svizzera, stava studiando un particolare ceppo della pianta da fiore Arabidopsis thaliana come parte di un progetto separato, e fece un'osservazione sconcertante:due composti biochimici furono trovati a livelli insolitamente alti nelle loro foglie.

Stranamente, questi composti (chiamati acetil-aminoadipato e acetil-triptofano) non erano presenti in nessuno dei normali, piante cosiddette "selvatiche". Mentre lui e i suoi colleghi cercavano una spiegazione, si sono limitati alla fonte:un enzima, chiamato BAR, che è stato progettato nelle piante come una sorta di faro chimico, consentendo agli scienziati di studiarli più facilmente.

Ma BAR è più di un semplice strumento per gli scienziati. È anche uno dei tratti più comunemente utilizzati nelle colture geneticamente modificate, come la soia, Mais, e cotone, consentendo loro di resistere a un erbicida ampiamente utilizzato (noto come fosfinotricina o glufosinato).

Per decenni, gli scienziati hanno saputo che BAR, originariamente isolato da batteri, può rendere inattivo l'erbicida attaccando una breve serie di sostanze chimiche, composto da due atomi di carbonio e un ossigeno (chiamato anche gruppo acetile). Come descrivono i ricercatori nel loro articolo su Nature Plants, ha un lato promiscuo, e può lavorare su altri substrati, pure, come gli amminoacidi triptofano e amminoadipato (un derivato della lisina).

Questo spiega perché possono rilevare i prodotti non voluti (acetil-triptofano e acetil-aminoadipato) nelle colture geneticamente modificate per trasportare BAR, come soia e colza.

La loro ricerca includeva studi dettagliati sulla proteina BAR, comprese le strutture cristalline della proteina legate ai suoi substrati. Ciò ha fornito loro un progetto su come modificare strategicamente BAR per renderlo meno promiscuo, e favorire come substrato solo l'erbicida e non gli amminoacidi. Christ ei suoi colleghi hanno creato diverse versioni prive dell'attività non specifica della proteina BAR originale.

"Questi sono catalizzatori naturali, quindi quando li prendiamo in prestito da un organismo e li mettiamo in un altro, potrebbero non essere necessariamente perfetti per i nostri scopi, "Cristo dice. "Raccogliere questo tipo di conoscenza fondamentale su come funzionano gli enzimi e su come la loro struttura influenza la funzione può insegnarci come selezionare i migliori strumenti per la bioingegneria".

Ci sono altre lezioni importanti, pure. Quando il tratto BAR è stato valutato per la prima volta dalla FDA degli Stati Uniti, nel 1995, per l'uso in colza, e negli anni successivi per altre colture, la metabolomica era in gran parte inesistente come tecnologia per la ricerca biomedica. Perciò, non potrebbe essere applicato alla caratterizzazione di piante e alimenti geneticamente modificati, come parte della loro revisione normativa. Tuttavia, acetil-aminoadipato e acetil-triptofano, che sono normalmente presenti nell'uomo, sono stati esaminati dalla FDA e sono sicuri per il consumo umano e animale.

Weng e i suoi colleghi ritengono che il loro studio rappresenti un valido motivo per considerare le analisi metabolomiche come parte del processo di revisione per le future colture geneticamente modificate. "Questo è un ammonimento, " dice Weng.