Plantele au dezvoltat de-a lungul evolutiei o gama impresionanta de compusi chimici, numiti alcaloizi, pe care îi folosesc ca arme defensive împotriva insectelor, patogenilor si altor amenintari. Acesti compusi sunt nu doar esentiali pentru supravietuirea plantelor, ci au devenit si piloni ai medicinei umane.
De la cofeina si nicotina, utilizate zilnic, pâna la medicamente analgezice puternice sau chimioterapice, alcaloizii au salvat nenumarate vieti. Totusi, productia lor naturala este adesea limitata, iar extractia din plante poate fi costisitoare, nesustenabila sau chiar daunatoare mediului.
Origine genetica surprinzatoare
Cercetatorii cauta demult timp de a întelege mai bine biosinteza acestor compusi, pentru a-i produce în laborator mai eficient si mai ecologic.
O descoperire recenta a unei echipe de la Universitatea din York (Marea Britanie), aduce o perspectiva cu totul neasteptata: plantele nu se bazeaza doar pe mecanisme chimice tipic vegetale, ci „împrumuta” uneori gene cu origine bacteriana pentru a crea alcaloizi complecsi.
Studiul se concentreaza pe securinina, un alcaloid puternic produs de planta Flueggea suffruticosa, si dezvaluie ca gena-cheie implicata în biosinteza sa seamana izbitor cu gene bacteriene. Aceasta observatie sugereaza o strategie evolutiva de reciclare moleculara si deschide noi cai pentru descoperirea si productia de medicamente.
Flueggea suffruticosa este un arbust originar din zonele asiatice, folosit traditional în medicina populara chineza. Planta produce securinina, un alcaloid cu structura complexa si efecte farmacologice remarcabile: stimuleaza sistemul nervos central, are proprietati anticonvulsivante si a fost investigat ca potential agent în tratamentul unor afectiuni neurologice.
Securinina este considerata unul dintre alcaloizii cei mai abundenti si bine studiati din clasa Securinega, dar pâna recent, mecanismele exacte ale biosintezei sale erau în mare parte necunoscute.
Echipa condusa de dr. Benjamin Lichman de la Departamentul de Biologie al Universitatii din York a investigat etapele timpurii ale producerii securininei. Cercetatorii au identificat o reactie critica: conversia aminoacidului lizina în piperideina, un intermediar esential.
Enzima responsabila de aceasta etapa – codificata de gena Fs1864 în Flueggea suffruticosa – apartine familiei decarboxilazelor de tip ornitina/lizina/arginina, o familie tipic asociata cu procariotele (bacterii si arhee) si nu cu eucariotele superioare precum plantele.
„Plantele si bacteriile sunt forme de viata extrem de diferite, asa ca a fost o surpriza totala sa vedem ca un compus chimic atât de important produs de planta este controlat de o gena cu aspect bacterian”, a explicat dr. Lichman.
Mai mult, aceasta cale biochimica difera fundamental de cele cunoscute pentru alti alcaloizi vegetali clasici, cum ar fi nicotina sau hiosciamina. În loc sa foloseasca enzime tipice plantelor, securinina este sintetizata printr-un mecanism paralel, care pare sa fi evoluat independent, dar folosind unelte moleculare „împrumutate” din lumea microbiana. Aceasta descoperire nu este izolata: cercetatorii au scanat genomurile altor plante si au identificat gene similare în specii care produc alcaloizi derivati din lizina sau ornitina.
Acest lucru sugereaza ca fenomenul de „reciclare” a genelor bacteriene este mai raspândit decât se presupunea, reprezentând o strategie evolutiva convergenta în lumea vegetala.
Plantele adopta unelte microbiene
Evolutia plantelor a fost marcata de interactiuni strânse cu microorganismele – de la simbioze cu bacterii capabile sa fixeze azotul pâna la patogeni care au impus presiuni selective intense.
În acest context, transferul orizontal de gene (de la microbi la plante) sau evolutia paralela a unor enzime similare functional devine o explicatie plauzibila. Studiul descrie o clasa noua de decarboxilaze eucariote cu asemanari marcante cu cele procariote, capabile sa catalizeze reactii cheie în biosinteza mai multor alcaloizi.
Aceasta „reciclare” de unelte biologice ofera plantei avantaje clare: enzimele para-bacteriene (care par a fi bacteriene) pot fi mai eficiente sau mai versatile pentru anumite reactii chimice, permitând producerea rapida de compusi toxici pentru aparare.
În cazul securininei, gena para-bacteriana permite o cale alternativa de formare a scheletului molecular, diferita de cele bazate pe strict derivati de triptofan sau tirozina, predominante în alte familii de alcaloizi.
Descoperirea are implicatii profunde. Prin întelegerea acestor cai genetice, oamenii de stiinta pot dezvolta metode bioinformatice pentru a „cauta” gene similare în genomurile plantelor neexplorate. Acest lucru accelereaza descoperirea de noi compusi bioactivi naturali, multi dintre ei cu potential terapeutic neexploatat.
Medicina sustenabila si agricultura rezilienta
Una dintre cele mai promitatoare aplicatii ale acestei descoperiri este productia sustenabila de medicamente. Alcaloizii sunt adesea toxici în doze mari, iar extractia lor din plante necesita recolte masive, punând presiune pe ecosisteme fragile.
Prin transferul genelor-cheie (inclusiv cele para-bacteriene) în sisteme microbiene de fermentatie, se pot obtine cantitati mari de compusi puri, cu costuri reduse si impact ambiental minim.
Dr. Lichman subliniaza: „Alcaloizii trebuie manipulati cu grija în medicina – si adesea sunt modificati structural pentru a le reduce toxicitatea. Întelegerea proceselor naturale de productie ne ajuta sa dezvoltam metode de sinteza în laborator sau sa eliminam alcaloizii nedoriti din culturi, facând plantele mai sigure.”.
Pe plan agricol, aceste cunostinte pot contribui la crearea de culturi mai rezistente. Întelegând cum plantele îsi construiesc apararea chimica prin „unelte” neasteptate, cercetatorii pot îmbunatati rezistenta la daunatori fara a apela excesiv la pesticide sintetice.
În plus, studii viitoare ar putea explora daca astfel de gene para-bacteriene apar si în alte cai metabolice, extinzând impactul asupra biotehnologiei vegetale.
GABRIEL TUDOR
Comentarii