Le piante possono fare molte cose incredibili. Tra i loro talenti, possono produrre composti che li aiutano a respingere i parassiti, attirare gli impollinatori, curare le infezioni e proteggersi dalle temperature eccessive, siccità e altri pericoli per l'ambiente.

I ricercatori del Salk Institute che studiano come le piante hanno evoluto le capacità di produrre queste sostanze chimiche naturali hanno scoperto come si è evoluto un enzima chiamato isomerasi calcone per consentire alle piante di produrre prodotti vitali per la propria sopravvivenza. La speranza dei ricercatori è che questa conoscenza informi la fabbricazione di prodotti benefici per l'uomo, compresi farmaci e raccolti migliorati. Lo studio è apparso nella versione stampata di Catalisi ACS il 6 settembre, 2019.

"Da quando le piante terrestri sono apparse per la prima volta sulla terra circa 450 milioni di anni fa, hanno sviluppato un sofisticato sistema metabolico per trasformare l'anidride carbonica dall'atmosfera in una miriade di sostanze chimiche naturali nelle loro radici, germogli e semi, "dice il professor Joseph Noel di Salk, l'autore senior del documento. "Questo è il culmine del lavoro che abbiamo svolto nel mio laboratorio negli ultimi 20 anni, cercando di capire l'evoluzione chimica delle piante. Ci fornisce una conoscenza dettagliata di come le piante hanno sviluppato questa capacità unica di produrre alcune molecole molto insolite ma importanti".

Precedenti ricerche nel laboratorio Noel hanno esaminato come questi enzimi si sono evoluti da proteine ​​non enzimatiche, compreso lo studio di versioni più primitive di essi che compaiono in organismi come batteri e funghi.

Come un enzima, la calcone isomerasi agisce come catalizzatore per accelerare le reazioni chimiche nelle piante. Aiuta anche a garantire che le sostanze chimiche prodotte nella pianta siano nella forma corretta, poiché molecole con la stessa formula chimica possono assumere due diverse variazioni che sono immagini speculari l'una dell'altra (chiamate isomeri).

"Nel settore farmaceutico, è importante che i farmaci prodotti siano la versione corretta, o isomero, perché usare quello sbagliato può portare a effetti collaterali indesiderati, "dice Noele, che è direttore del Jack H. Skirball Center di Salk per la biologia chimica e la proteomica e detiene la cattedra Arthur e Julie Woodrow. "Studiando come funziona la calcone isomerasi, possiamo imparare di più su come accelerare la produzione degli isomeri corretti di prodotti farmaceutici e altri prodotti che possono essere importanti per la salute umana".

Nello studio attuale, i ricercatori hanno utilizzato diverse tecniche di biologia strutturale per studiare la forma unica dell'enzima e come la sua forma cambia quando interagisce con altre molecole. Hanno individuato la parte della struttura della calcone isomerasi che gli ha permesso di catalizzare le reazioni in modo incredibilmente veloce, garantendo allo stesso tempo che rendesse il giusto, isomero biologicamente attivo. Queste reazioni portano a una serie di attività nelle piante, compresa la conversione di metaboliti primari come la fenilalanina e la tirosina in molecole specializzate vitali chiamate flavonoidi.

Si è scoperto che un particolare amminoacido, arginina, quello era uno dei tanti amminoacidi legati insieme in calcone isomerasi seduto in una posizione, plasmato dall'evoluzione, che gli ha permesso di svolgere un ruolo chiave nel modo in cui sono state catalizzate le reazioni della calcone isomerasi.

"Facendo studi strutturali e modellazione al computer, potremmo vedere le posizioni molto precise dell'arginina all'interno del sito attivo dell'enzima mentre la reazione procedeva, " dice il primo autore Jason Burke, un ex ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Noel che ora è assistente professore presso la California State University San Bernardino. "Senza quell'arginina, non funziona allo stesso modo".

Burke aggiunge che questo tipo di catalizzatore è stato a lungo ricercato dai chimici organici. "Questo è un esempio della natura che già risolve un problema che i chimici guardano da molto tempo, " Aggiunge.

"Comprendendo la calcone isomerasi, possiamo creare un nuovo set di strumenti che i chimici potranno utilizzare per le reazioni che stanno studiando, "Afferma Noel. "È assolutamente vitale avere questo tipo di conoscenze fondamentali per poter progettare sistemi molecolari in grado di svolgere un compito particolare anche nella prossima generazione di colture nutrizionalmente dense in grado di trasformare il gas serra anidride carbonica in molecole essenziali per vita."