El análisis de células vegetales individuales permite comprender la biosíntesis de productos naturales
La multiómica unicelular revela que los tipos celulares intervienen de forma diferencial en la producción y acumulación de compuestos vegetales de interés médico
En un nuevo estudio publicado en Nature Chemical Biology, un equipo internacional de investigadores de la Universidad de Georgia (EE.UU.) y el Instituto Max Planck de Ecología Química de Jena (Alemania) presenta una estrategia prometedora para dilucidar las vías metabólicas de compuestos vegetales de importancia medicinal. El equipo de investigadores estudió la biosíntesis de dos alcaloides de la planta Catharanthus roseus que se utilizan en medicina humana como agentes anticancerígenos. Los genes para la formación de estas sustancias activas se expresan en distintos tipos de células. Mediante análisis unicelulares, los científicos pudieron descubrir nuevos genes importantes para la biosíntesis y demostrar que los intermediarios de la vía metabólica se acumulan en tipos celulares específicos. Los investigadores predicen que este enfoque metodológico proporcionará nuevos e importantes conocimientos sobre la biosíntesis de muchos otros productos naturales del reino vegetal.
Las plantas son impresionantes por su diversidad, pero sobre todo por la variedad de metabolitos que producen. Muchos productos naturales vegetales son moléculas muy complejas, como los alcaloides vincristina y vinblastina, producidos por el bígaro de Madagascar Catharanthus roseus. Estas dos sustancias son ya indispensables en la terapia del cáncer.
Los investigadores están muy interesados en averiguar qué pasos biosintéticos individuales son necesarios para formar las complejas moléculas. "Actualmente, estos compuestos se obtienen aún en cantidades muy pequeñas a partir del extracto de la hoja de la planta. Podemos aprender de la planta cómo se produce este compuesto y utilizar este conocimiento para desarrollar sistemas de producción que sean más rentables, escalables y sostenibles", explica el primer autor, Chenxin Li, del Centro de Tecnologías Genéticas Aplicadas de la Universidad de Georgia, al describir el objetivo de la investigación.
Asignación de información genética y metabólica a células individuales de órganos vegetales
Los científicos saben que la actividad de los genes no es la misma en todas las células de una planta y que la química puede diferir drásticamente de una célula a otra. Por lo tanto, el objetivo del estudio actual era utilizar un nuevo conjunto de métodos denominados colectivamente ómicos unicelulares para investigar tipos de células especializadas y poco comunes que desempeñan un papel central en la biosíntesis de los productos naturales de las plantas, y cuyas señales a menudo quedan ocultas por tipos de células más abundantes en los órganos de las plantas. "Con la ómica unicelular disponemos de un método que permite a los investigadores asignar información genética y metabólica a células individuales. El término ómica se refiere al hecho de que se cuantifica y analiza una colección completa de genes o metabolitos", afirma Lorenzo Caputi, jefe del Grupo de Proyectos de Biosíntesis de Alcaloides en el Departamento de Biosíntesis de Productos Naturales de Jena y uno de los autores principales, al explicar el enfoque metodológico.
Vía biosintética de la vinblastina - organizada en tres tipos celulares distintos
Como demostraron los análisis, toda la vía biosintética del alcaloide vinblastina está organizada en tres etapas y tres tipos celulares distintos. "La primera etapa se expresa exclusivamente en células especializadas asociadas a haces vasculares en la hoja, denominadas IPAP. La segunda etapa de la vía biosintética se expresa sólo en células de la epidermis, la capa de células que recubre las hojas, y las últimas etapas conocidas de la vía biosintética se expresan exclusivamente en idioblastos, un tipo celular poco frecuente de la hoja", resume los resultados Chenxin Li.
Los investigadores midieron las concentraciones de varios intermediarios de la vía metabólica de la vinblastina en células individuales y se sorprendieron: "Dos precursores importantes de la vinblastina, la catarantina y la vindolina, aparecen en las células idioblásticas en concentraciones milimolares, unos tres órdenes de magnitud superiores a las de la propia vinblastina. La concentración de los dos precursores en estas células era mucho mayor de lo que esperábamos e incluso superaba sus concentraciones en los extractos de órganos enteros. Sin embargo, esta observación tiene sentido en la medida en que la catarantina y la vinblastina sólo se encontraron en las escasas células idioblásticas. Las abundantes otras células de la hoja diluyen la elevada concentración cuando se trituran hojas enteras", afirma Sarah O'Connor, jefa del Departamento de Biosíntesis de Productos Naturales.
El equipo de investigación confía en que la organización de las vías biosintéticas de alcaloides de interés medicinal en Catharanthus roseus no sea un fenómeno aislado. "Estamos empezando a comprender cómo y por qué existe esta organización específica para cada tipo celular. Además, el análisis de los genes expresados simultáneamente en un tipo celular concreto nos ha ayudado a identificar nuevos actores en esta vía metabólica. La misma técnica puede utilizarse para estudiar la biosíntesis de muchos otros productos naturales. Por último, los lugares exactos de acumulación de compuestos vegetales, como la epidermis, el sistema vascular o el conducto del látex, pueden ayudarnos a formular hipótesis sobre las funciones ecológicas de los productos naturales. Por ejemplo, según el patrón de acumulación, los compuestos pueden ser más eficaces contra los insectos que pican que contra los que chupan la savia", afirma Robin Buell, profesor de la Universidad de Georgia.
Una mejor comprensión de las vías biosintéticas de los fármacos anticancerígenos vincristina y vinblastina también puede ayudar a producir o cosechar estos compuestos de forma más eficaz a largo plazo. El uso de los métodos descritos también es prometedor para el estudio de muchos otros productos naturales interesantes y de importancia médica del reino vegetal. El enfoque aquí descrito ayudará a delimitar estas células raras y especializadas y a descubrir las actividades genéticas y la química que les son exclusivas.
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