Cómo evolucionaron las plantas Diferentes formas de producir cafeína
Citrus sinensis produce cafeína en sus floresWIKIMEDIA, ELLEN LEVY FINCHSe sabe que las especies de plantas pertenecientes a ramas divergentes del árbol evolutivo han evolucionado de forma independiente en la producción de cafeína. Según los científicos de la Universidad de Western Michigan, las plantas productoras de cafeína han tomado varias rutas bioquímicas diferentes para sintetizar el estimulante. Café, té, cacao, naranja y guaraná; las plantas producen cafeína usando una variedad de enzimas y sustratos, informaron los investigadores en PNAS esta semana (20 de septiembre).
“Este es un artículo muy bueno que ilustra la multiplicidad de vías de adaptación utilizadas en la evolución bioquímica” dijo el biólogo evolutivo Michael Clegg de la Universidad de California, Irvine, quien no participó en el estudio.
La cafeína es producida por aproximadamente 30 de las 300,000 o más especies diferentes de plantas con flores en el mundo, estimó Todd Barkman del oeste de Michigan, quien dirigió el nuevo estudio. La naturaleza divergente de estas especies y de las funciones de la molécula…
De hecho, los estudios han demostrado que el café (Coffea arabica) y el té (Camellia sinensis) utilizan diferentes enzimas para generar cafeínaxantina metiltransferasas (XMT) y cafeína sintasas (CS), respectivamente. Además, las comparaciones del genoma del café (Coffea canephora) con los genes del cacao (Theobroma cacao) y el té han proporcionado una confirmación genética de la evolución convergente en lugar de divergente de la producción de cafeína.
Para comprender mejor las similitudes y diferencias de la producción de cafeína en todo el reino vegetal y examinar su evolución convergente, Barkman y sus colegas compararon el proceso en el té y el café con tres especies de flores adicionales: cacao, guaran ( Paullinia cupana) y naranja (Citrus sinensis).
A pesar de utilizar diferentes enzimas, las plantas de café y té producen cafeína a través de los mismos pasos bioquímicos: metilación del nucleósido xantosina, seguido de otros dos pasos de metilación para producir cafeína. Por lo tanto, Barkman y sus colegas supusieron que el cacao, el guaran y la naranja utilizarían los mismos pasos. Aislaron y analizaron enzimas XMT candidatas de naranja y enzimas CS de guaran y cacao, pero, para consternación de los investigadores, descubrieron que las proteínas no catalizarían las reacciones.
Ciertamente esperábamos que estas plantas usaran las mismas vías bioquímicas que utilizan el café y el té porque durante 30 años esa ha sido la vía de la cafeína en las plantas, dijo Barkman. Debo decirte que desperdiciamos un año tratando de obligar a esas enzimas a producir cafeína de la misma manera que supuestamente lo hacen todas las plantas.
Posiblemente por desesperación, Barkman consideró que las enzimas podrían utilizar sustratos alternativos. Para cada enzima, probamos todos los sustratos posibles relacionados con la red biosintética de la cafeína, le dijo a The Scientist. Y, por fin, los experimentos funcionaron. Todos saltamos de alegría, dijo Barkman.
Resultó que mientras las vías del té y el café comienzan con la xantosina, las otras plantas estudiadas utilizan una molécula similar, llamada xantina. Algunas o todas las moléculas intermedias en las vías también diferían en la síntesis de cafeína de las plantas de cacao, naranja y guaran.
Esto realmente ilustra la naturaleza idiosincrásica de cómo la selección puede elegir, dijo Barkman.
El equipo pasó a investigar cómo podrían haber evolucionado las enzimas, centrándose en la enzima XMT del linaje Citrus. Al comparar las secuencias de XMT ortólogas de aproximadamente otras 500 especies con flores y al calcular las probabilidades de sustituciones de aminoácidos durante millones de años, los investigadores recrearon enzimas ancestrales putativas y las probaron en ensayos bioquímicos.
Descubrieron que el ancestro sintético más antiguo, que el linaje Citrus habría compartido con el café, podía metilar el ácido benzoico y el ácido salicílico (ácidos carboxílicos involucrados en el aroma floral, la defensa contra patógenos y más), pero no podía metilar la xantina o xantosina. Sin embargo, un ancestro sintético más reciente de Citrus XMT podría utilizar tanto ácido salicílico como xantina, según descubrió el equipo.
La innovación aquí es con la resurrección de las enzimas ancestrales, dijo el evolutivo biólogo de plantas Jim Leebens-Mack de la Universidad de Georgia. [Los autores] hicieron un trabajo maravilloso al demostrar un camino muy plausible hacia la convergencia.
Las enzimas ancestrales resucitadas brindan información sobre cómo funciona la evolución, dijo Leebens-Mack, pero también nos dan una idea de cómo los bioingenieros pueden modificar genes existentes para asumir nuevas funciones.
No se trata solo de describir lo que sucedió en el pasado, agregó, se trata de darnos una idea de lo que es posible en el futuro.
R. Huang et al., Evolución convergente de cafeína en plantas por cooptación de enzimas ancestrales extraídas, PNAS, doi:10.1073/pnas.1602575113 , 2016.
¿Interesado en leer más?
El científico ARCHIVOS
Conviértase en miembro de
Reciba acceso completo a más de 35 años de archivos, así como a TS Digest, ediciones digitales de El científico, artículos destacados, ¡y mucho más!Únase gratis hoy ¿Ya es miembro?Inicie sesión aquí