Una versione sintetica dell'auxina e il suo recettore proteico (azzurro) si annidano insieme, creando una coppia ingegnerizzata che si comporta proprio come quella naturale. Credito:Keiko Torii/Università di Washington/Howard Hughes Medical Institute e Shinya Hagihara/Università di Nagoya
Un ormone progettato in laboratorio può svelare i misteri custoditi dalle piante.
Sviluppando una versione sintetica dell'ormone vegetale auxina e un recettore ingegnerizzato per riconoscerlo, L'investigatore dell'Howard Hughes Medical Institute (HHMI) Keiko Torii e colleghi sono pronti a scoprire i meccanismi interni delle piante.
Il nuovo lavoro, descritto il 22 gennaio, 2018, nel diario Natura chimica biologia , è "uno strumento di trasformazione per comprendere la crescita e lo sviluppo delle piante, "dice Tori, un biologo vegetale presso l'Università di Washington. Tale comprensione può avere grandi implicazioni agricole, aumentando la possibilità, ad esempio, di un nuovo modo di maturare fragole e pomodori.
Alle piante, l'ormone auxina è re. Tra tanti altri lavori, l'auxina aiuta i girasoli a tracciare la luce solare, le radici crescono verso il basso, e i frutti maturano. Questa vasta gamma di posti di lavoro, così come il fatto che ogni cellula di una pianta può sia produrre che rilevare auxina, rende difficile separare i vari ruoli dell'ormone. "È stato un enorme mistero come una molecola così semplice possa fare così tante cose diverse, "dice Tori.
Lei ei suoi colleghi hanno deciso di creare un nuovo modo per studiare le risposte delle piante all'auxina progettando una versione dell'ormone prodotta in laboratorio che può essere controllata con precisione. Lavorando con chimici sintetici in Giappone, i ricercatori hanno aggiunto una piccola protuberanza alla struttura dell'auxina:anelli di idrocarburi che normalmente l'auxina non contiene. I ricercatori hanno poi ottimizzato il recettore dell'auxina delle piante, una proteina che si trova all'esterno delle cellule vegetali e rileva l'auxina. Questa volta, i ricercatori hanno rimosso un amminoacido voluminoso dal recettore, creando un foro di dimensioni perfette che culla l'auxina prodotta in laboratorio. Quel semplice interruttore, chiamato una strategia "bump and hole", "è davvero elegante, in realtà, "dice Tori.
Normalmente, l'ormone auxina accorcia le radici. Una nuova, la versione sintetica dell'ormone fa la stessa cosa, ricercatori hanno scoperto. L'esposizione a livelli crescenti di auxina sintetica (da sinistra a destra) ha ridotto la lunghezza delle radici nelle piantine progettate per rilevare l'ormone. Credito:N. Uchida et al./ Natura chimica biologia 2018
Prossimo, i ricercatori hanno testato se questo set abbinato, l'auxina sintetica e il recettore sintetico, potesse svolgere gli stessi lavori della coppia auxina/recettore naturale delle cellule. Il sistema dal design complesso ha funzionato magnificamente, hanno mostrato esperimenti sulle radici.
Normalmente, le radici esposte all'auxina smettono di crescere, e invece crescono lateralmente attivando le cellule staminali che si staccano dalla radice principale. Torii confronta il processo, chiamato sviluppo della radice laterale, agli alieni che irrompono nello stomaco. Dopo aver rilevato l'auxina sintetica, Le piante di Arabidopsis geneticamente modificate per produrre il recettore sintetico dell'auxina si sono comportate come al solito, facendo crescere le stesse palline laterali dei rami delle radici.
Cosa c'è di più, le radici che non avevano il recettore dell'auxina sintetica erano essenzialmente "cieche" all'auxina sintetica, prova che l'ormone artificiale viene rilevato solo dal recettore artificiale. Torii e i suoi colleghi chiamano questo passaggio all'auxina sintetica "dirottamento chimico", un'acquisizione ben controllata che ora consentirà ai ricercatori di rompere l'intricata rete dei lavori dell'auxina nelle piante.
Con il loro sistema attivo e funzionante, i ricercatori hanno testato una domanda di vecchia data nella biologia delle piante. Gli scienziati sapevano che le piantine in germinazione usano l'auxina per crescere rapidamente. Ma l'identità del recettore esatto che consente questo processo non è stata definita.
Dopo il trattamento con auxina, le normali radici delle piante iniziano a ramificarsi lateralmente. Dopo il trattamento con auxina sintetica, le piante progettate per rilevare l'ormone fanno la stessa cosa (sono mostrati i rami delle radici irregolari). Credito:N. Uchida et al./ Natura chimica biologia 2018
La comunità scientifica aveva in mente un sospetto. Il team di Torii ha prodotto una pianta priva di un recettore per l'auxina chiamato TIR1, e invece possedeva una versione sintetica. Quando esposto all'auxina artificiale, queste piantine cominciarono a crescere rapidamente, comportandosi esattamente come se avessero il recettore normale. I risultati suggeriscono che l'allungamento del seme avviene effettivamente attraverso il recettore TIR1.
Altre questioni scientifiche fondamentali possono essere affrontate con questo sistema, Tori dice, come il ruolo dell'auxina nella maturazione del mais e nell'apertura degli stomi, le strutture che lasciano respirare le piante.
Un giorno, l'auxina sintetica potrebbe anche trovare posto in agricoltura. L'auxina è attualmente spruzzata sui frutti per accelerare la maturazione. Ma ad alte concentrazioni, l'ormone può agire come un erbicida che uccide le piante. I frutti progettati per trasportare il recettore sintetico potrebbero essere maturati con l'ormone auxina sintetico, Tori dice, eliminando la necessità di spruzzare auxina indiscriminatamente. Ma, lei avverte, sono necessari molti più test prima che un sistema ormonale sintetico possa essere utilizzato per la coltivazione del cibo.
