Investigando a biossíntese de withanolides em plantas

As plantas têm uma habilidade incrível de criar compostos complexos que podem influenciar a saúde. Alguns desses compostos são conhecidos como metabólitos especializados. Apesar de os pesquisadores terem investigado a fundo os químicos que as plantas produzem, ainda não entendem completamente como os genes das plantas conseguem criar essas substâncias. Essa falta de conhecimento dificulta melhorar as plantas para fins medicinais ou criá-las usando microrganismos.

Um grupo interessante de metabólitos especializados é chamado de Withanolides. Esses compostos pertencem à família das solanáceas, que inclui espécies famosas como tomate e batata. Os withanolides são encontrados principalmente na planta Withania somnifera, conhecida como ashwagandha. A medicina tradicional usa essa planta há muito tempo, especialmente na prática indiana do Ayurveda. Estudos recentes mostraram que a ashwagandha pode ajudar a aliviar o estresse, o que reforça sua longa história de uso na cura tradicional.

Apesar de sua utilidade, os pesquisadores conseguiram identificar apenas uma enzima específica envolvida na produção de withanolides, o que tem sido um obstáculo para os cientistas que tentam entender como esses compostos se formam. A enzima, chamada esterol Δ24-isomerase (24ISO), transforma um composto precursor em outra forma que é crucial para a produção de withanolides. No entanto, os passos que seguem essa reação inicial ainda não são bem compreendidos.

#O Desafio de Entender o Metabolismo das Plantas

Descobrir como as plantas criam metabólitos especializados tem sido um processo lento. No entanto, os avanços na tecnologia nas últimas duas décadas aceleraram a descoberta de como os genes das plantas funcionam. Os cientistas agora costumam usar dados transcriptômicos, que analisam a expressão gênica em diferentes partes de uma planta e em diferentes estágios de crescimento, para encontrar genes envolvidos na produção desses compostos especiais. No passado, os dados genômicos eram frequentemente negligenciados, mas isso está mudando com o sequenciamento de mais Genomas de plantas.

Muitas espécies de plantas têm sido encontradas com grupos de genes, que são conjuntos de genes que trabalham juntos em vias biossintéticas. Isso ajudou os cientistas a descobrir como certos compostos são feitos. Por exemplo, agrupamentos semelhantes de genes foram descobertos para uma variedade de metabólitos vegetais, incluindo saponinas e alcaloides.

No caso da biossíntese de withanolides, os pesquisadores sugeriram anteriormente que o 24ISO poderia estar agrupado com outros genes relacionados ao metabolismo especializado. No entanto, a falta de sequências de genoma de alta qualidade limitou sua análise. Melhorias recentes no sequenciamento de genoma tornaram possível investigar melhor os grupos de genes nas plantas.

#Investigando a Produção de Withanolides

Withania somnifera é uma conhecida produtora de withanolides, e os pesquisadores geraram uma montagem completa do genoma dessa planta. Essa montagem contém informações sobre mais de 35.000 genes e fornece um olhar mais detalhado sobre os genes envolvidos na produção de withanolides. Ao comparar esse genoma com os de outras plantas relacionadas, os cientistas descobriram que certos genes, incluindo o 24ISO, estão agrupados, sugerindo que podem trabalhar juntos na mesma via biossintética.

Apesar do avanço em entender a base genética dos withanolides, os passos que seguem a atividade da enzima 24ISO ainda são obscuros. Pesquisadores indicaram que muitos genes e enzimas envolvidos nas fases posteriores da biossíntese de withanolides ainda são desconhecidos. Para enfrentar esse desafio, os cientistas testaram vários genes candidatos potenciais usando uma técnica de silenciamento gênico chamada silenciamento gênico induzido por vírus, mas nenhuma atividade clara foi encontrada.

#O Papel das Enzimas Citocromo P450

Um grupo importante de enzimas conhecidas por participar de vários processos metabólicos das plantas são as monooxigenases citocromo P450. Essas enzimas desempenham um papel crucial na síntese de muitos compostos vegetais, incluindo triterpenóides e esteróides. Algumas famílias específicas de enzimas citocromo P450 estão particularmente associadas à produção de triterpenóides.

Quando os pesquisadores olharam mais de perto para o grupo de genes ao redor da enzima 24ISO, encontraram muitos genes citocromo P450. O agrupamento dessas enzimas apoia a ideia de que elas trabalham juntas na via para produzir withanolides. Alguns estudos recentes sugeriram que certas enzimas citocromo P450 podem estar envolvidas na biossíntese de withanolides, mas seus papéis precisos não haviam sido confirmados.

#Engenharia Metabólica para Produção de Intermediários

Para avançar na compreensão da biossíntese de withanolides, os cientistas tentaram criar um sistema que permitisse a produção de 24-metildesmosterol, um intermediário importante na via. Construindo esse sistema em levedura, deletaram certos genes na via de esterol da levedura para redirecionar seu metabolismo para produzir 24-metildesmosterol. Essa abordagem permitiu que os pesquisadores explorassem a função de genes adicionais que poderiam estar envolvidos na via.

Após tentativas iniciais de engenharia da levedura, os pesquisadores conseguiram produzir 24-metildesmosterol em quantidade significativa. No entanto, durante esse processo, também detectaram outros compostos que não eram o produto desejado. A otimização adicional das cepas de levedura permitiu aumentar os níveis de produção de 24-metildesmosterol enquanto minimizava os subprodutos indesejados.

#Transição para Sistemas Baseados em Plantas

Embora o sistema de levedura tenha sido útil, os cientistas reconheceram que transferir a via metabólica para um sistema baseado em plantas, como Nicotiana benthamiana, poderia oferecer vantagens adicionais. As plantas já estão equipadas para produzir alguns dos precursores necessários para a síntese de withanolides, o que poderia simplificar o processo de engenharia metabólica.

Os pesquisadores tentaram expressar a enzima 24ISO em Nicotiana benthamiana. No entanto, os resultados iniciais não foram promissores. Isso levou a novos ajustes, incluindo o silenciamento de certos genes que inibem a produção do precursor, permitindo uma melhor acumulação de 24-metildesmosterol.

Após várias tentativas, a equipe conseguiu aumentar os níveis de produção em Nicotiana benthamiana co-expressando vários genes que compreendem toda a via de fitosteróis. Isso foi uma conquista que destacou a capacidade das plantas de produzir esteróis de forma eficaz.

#Elucidação da Via Biossintética

Tendo estabelecido sistemas capazes de produzir intermediários-chave, os pesquisadores então se concentraram em identificar as próximas enzimas necessárias para a biossíntese de withanolides. Eles focaram nas enzimas citocromo P450 que estavam presentes no grupo de genes, pois essas eram os candidatos mais prováveis para catalisar transformações críticas na via.

Ao testar essas enzimas, eles descobriram que combinações específicas de Citocromo P450s resultaram na produção de vários compostos hidroxilados, indicando que a via estava avançando em direção à formação das estruturas de withanolide. Os resultados sugeriram um processo de oxidação em várias etapas para montar o anel lactônico característico presente nos withanolides.

#Conclusão

A pesquisa sobre a biossíntese de withanolides revelou uma rede complexa de interações genéticas e atividades enzimáticas. Identificar o grupo gênico responsável pela produção de withanolides oferece novas possibilidades para melhorar nossa compreensão do metabolismo das plantas.

Através de sistemas baseados em levedura e plantas, os cientistas avançaram na produção de intermediários-chave e na identificação das enzimas responsáveis pelas reações subsequentes. O trabalho contínuo nessa área não só contribui para o conhecimento dos withanolides, mas também destaca o potencial para engenharia de plantas para produzir compostos benéficos para usos medicinais.

A jornada desde as aplicações medicinais tradicionais até o desenvolvimento moderno de medicamentos é longa, mas as percepções obtidas a partir do estudo da biossíntese de withanolides podem abrir caminho para futuros avanços no campo dos fármacos baseados em plantas. À medida que a pesquisa avança, há esperança de aumentar a compreensão do metabolismo especializado nas plantas, levando a sistemas de produção melhorados e agentes terapêuticos.