Studi ambientali hanno dimostrato che il 40% dell'anidride carbonica atmosferica (CO2) passa ogni anno attraverso gli stomi delle piante. Così, il controllo dello sviluppo e della funzione stomatica è considerato una chiave per aumentare la produttività delle piante coltivate e l'efficienza nell'uso dell'acqua. Gli stomi sono pori presenti nelle foglie delle piante responsabili dello scambio di gas con l'ambiente circostante. Poiché è stato riportato che la luce e i livelli di CO2 atmosferica influenzano il numero di stomi, chimici sintetici e biologi vegetali presso l'Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM) dell'Università di Nagoya, hanno deciso di esplorare questo argomento utilizzando un approccio chimico e sono riusciti a sviluppare piccole molecole per aumentare il numero di stomi nelle foglie delle piante. Il risultato di questo studio è stato riportato sulla rivista, Comunicazioni chimiche .

Utilizzando un modello di pianta da fiore, Arabidopsis thaliana, Il gruppo di ricerca di ITbM ha eseguito uno screening chimico di piccole molecole selezionate scoperte dalla libreria chimica di ITbM e ha identificato due molecole (CL1 e CL2) con una struttura simile al farmaco antinfiammatorio non steroideo, Celecoxib. Sebbene CL1 e CL2 abbiano aumentato il numero di stomi nelle foglie delle piante, erano tossici per le piante se applicati ad alte concentrazioni.

Incoraggiato dall'effetto di aumento degli stomi della pianta di CL1 e CL2, il team ha progettato la struttura delle molecole per sviluppare nuovi composti in grado di aumentare il numero di stomi, riducendo al minimo la tossicità in caso di esposizione della pianta ai composti ad alte concentrazioni. Il team ha sintetizzato e testato piccole molecole assenti del gruppo trifluorometile (CF3) in posizione C3 (ZA155) o del gruppo arilico in posizione C5 (ZA099) sul pirazolo (un eterociclo a 5 membri costituito da tre atomi di carbonio e due atomi di azoto adiacenti) anello. Di conseguenza, il team ha scoperto che sebbene entrambi i composti portassero ad un aumento del numero di stomatiche, ZA155 ha portato all'inibizione della crescita della pianta, mentre ZA099 no.

"Ho iniziato questa ricerca quando sono arrivato a ITbM nel 2015, " dice la dottoressa Asraa Ziadi, un ricercatore post-dottorato presso ITbM che ha sintetizzato principalmente le molecole. "Con il mio background in chimica organometallica, Volevo fare qualcosa di diverso ma utilizzare ancora la mia esperienza".

Il team di chimica sintetica era guidato dal professor Kenichiro Itami, il direttore del centro di ITbM, e hanno sviluppato una rapida metodologia di arilazione C-H catalizzata da palladio che consentirebbe la sintesi diretta di una gamma di derivati ​​aril pirazolo da ZA099 e i loro corrispondenti bromuri arilici, nella speranza di aumentare il numero di stomi evitando l'inibizione della crescita. Usando il loro nuovo metodo sintetico, sono stati in grado di sostituire direttamente l'atomo di idrogeno (H) connesso all'atomo di carbonio (C) sull'anello pirazolo con vari anelli aromatici (funzionalizzazione C–H) al fine di condurre studi di relazione struttura-attività.

Dopo aver studiato l'effetto delle piccole molecole sintetizzate sui numeri stomatici delle piante, è stato osservato che un composto contenente cloro (ZA139) generava un'elevata densità stomatica sulle foglie, ma era estremamente tossico per la pianta, portando a una forma stomatica anormale. Poiché lo ZA143 contenente metossi ha portato a un piccolo aumento del numero degli stomi e non era gravemente tossico per la pianta, il gruppo pensava che forse l'analogo della sulfonamide ZA160 avrebbe avuto prestazioni migliori. Il composto, però, non ha aumentato il numero di stomi sulle foglie delle piante e ha portato all'inibizione della crescita.

Prossimo, il team ha rivolto la propria attenzione alla sintesi e alla sperimentazione di diversi composti sostituiti dall'anisolo (metossibenzene) che potrebbero aumentare il numero di stomi senza inibire la crescita delle piante. Infatti, sono stati in grado di identificare ZA144 orto-anisile sostituito, che ha il gruppo metossi in posizione orto, come la molecola più efficace nell'aumentare il numero di stomi senza grave tossicità.

"Il momento migliore di questa ricerca è stato impostare l'esperimento biologico e vedere al microscopio l'aumento del numero di stomi sulle foglie delle piante, "Descrive Ziadi. "Ricordo di aver pensato "le mie molecole hanno fatto questo!"; questa è stata una bella sensazione".

Esperimenti biologici sulle piante sono stati condotti da un gruppo di biologi vegetali, guidato dal professor Keiko Torii, un investigatore principale presso ITbM che ricopre anche una posizione presso l'Università di Washington. Ziadi ha lavorato a stretto contatto con il biologo vegetale Naoyuki Uchida, che è professore associato nel gruppo del professor Torii, e parla delle sfide della ricerca biologica come chimico.

"Per me, era capire la biologia dietro la scoperta, "dice Ziadi. "Come chimico sintetico, il tuo ruolo di solito finisce quando la molecola è stata sintetizzata. Ma a ITbM, puoi vedere cosa possono fare le molecole. È davvero interessante! Ero molto incuriosito dall'idea di sintetizzare molecole che possono dare cambiamenti così visibili e chiari nella pianta".

"Sono sempre stato sorpreso che, ogni volta che parlavo ad Asraa degli effetti delle molecole che lei sintetizzava sul numero degli stomi e sulla crescita delle piante, ha iniziato a sintetizzare più molecole con effetti migliori nello stesso giorno, " descrive Uchida. "Questa collaborazione sorprendentemente rapida tra biologi e chimici è stata possibile solo in un ambiente di ricerca come il nostro istituto, dove biologi e chimici lavorano insieme uno accanto all'altro. Ci piace così tanto questa collaborazione".

La chiave del successo del gruppo nell'identificare una piccola molecola in grado di aumentare il numero di stomi delle piante è stato lo sviluppo di una reazione di funzionalizzazione C–H da parte di chimici sintetici che consente una rapida derivatizzazione degli anelli aromatici. Questa ricerca sulla biologia vegetale accelerata per accedere a una serie di molecole bioattive, che induce lo sviluppo stomatico desiderabile senza inibire la crescita delle piante.

Ulteriori indagini utilizzando i loro composti pirazolici bioattivi possono portare a chiarire il meccanismo alla base della differenziazione stomatica mediata dal pirazolo. Ciò può portare alla possibile identificazione e sintesi di composti che possono aumentare la biomassa attraverso il controllo stomatico.

"Ho imparato che la collaborazione tra biologi e chimici è molto potente, “ dice Ziadi. “Si possono imparare tante cose e discutere del progetto sotto diversi aspetti. Nel mio caso, per capire meglio il progetto, Ho iniziato a istruirmi sugli stomi e sui diversi meccanismi che possono essere coinvolti nello sviluppo degli stomi. Era difficile, ma per fortuna, Sono in un istituto dove sono circondato da eccellenti ricercatori di diverse discipline".