Investigadores dirigidos por la Universidad de Ciencias de Tokio identificaron una enzima innovadora que promete revolucionar el manejo de enfermedades de las plantas. El descubrimiento podría conducir a la creación de pesticidas antibacterianos no esterilizantes, frenando la devastación causada por los patógenos Xanthomonas en cultivos cruciales como el arroz, el trigo y los tomates.
En un gran avance para la agricultura, un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Ciencias de Tokio ha identificado una enzima que podría revolucionar la forma en que se manejan las enfermedades de las plantas. La enzima, denominada XccOpgD, podría conducir al desarrollo de nuevos pesticidas antibacterianos que se dirijan específicamente a los patógenos que causan una devastación generalizada sin promover la resistencia a los medicamentos.
Los hallazgos, publicados en el Journal of the American Chemical Society, provienen de un Estudio dirigido por Masahiro Nakajima, profesor asociado de la Universidad de Ciencias de Tokio. El equipo de investigación incluye a Sei Motouchi, candidato a doctorado de la Universidad de Ciencias de Tokio, Hiroyuki Nakai, profesor asociado de la Universidad de Niigata, y Shiro Komba, investigador principal del Instituto de Investigación Alimentaria de la Organización Nacional de Investigación Agrícola y Alimentaria NARO).
Las enfermedades de las plantas, en particular las causadas por la famosa especie Xanthomonas, presentan graves desafíos para la productividad agrícola. Estos patógenos afectan cultivos esenciales, como el arroz, el trigo y los tomates, reduciendo significativamente los rendimientos y provocando pérdidas económicas sustanciales a nivel mundial.
Investigaciones anteriores indicaron que los patógenos de Xanthomonas utilizan un compuesto cíclico, la β-1,6-glucohexadecaosa α-1,2-ciclada (CβG16α), para suprimir los mecanismos de defensa de las plantas. El equipo de investigación ha identificado ahora una enzima glucósido hidrolasa, XccOpgD, en la cepa X. campestris pv campestris responsable de la biosíntesis de CβG16α.
“Las estructuras de glicanos son intrincadas y multifacéticas y cumplen diversas funciones cruciales en la naturaleza y los organismos. Las enzimas sintetizan y degradan glicanos, exhibiendo diversas estructuras y funciones que corresponden a la diversidad de glicanos. Sin embargo, nuestra comprensión de estas enzimas aún es limitada, lo que impulsa la búsqueda de nuevas enzimas con nuevos potenciales variados”, dijo Nakajima en un comunicado de prensa.
Utilizando análisis bioquímicos avanzados y cristalografía de rayos X, el equipo dilucidó el mecanismo catalítico y la especificidad del sustrato de XccOpgD, revelándolo como parte de la familia de enzimas GH186. Esta familia es clave en la regulación de los componentes de la pared celular bacteriana. En particular, XccOpgD opera a través de un mecanismo enzimático sin precedentes llamado transglicosilación inversora de anómero.
“Las reacciones de las enzimas GH típicas se clasifican en cuatro tipos mediante combinación de retención o inversión y reacción con agua (hidrólisis) o azúcar (transglicosilación) en teoría. Sin embargo, de alguna manera falta una clasificación en una larga historia de investigaciones sobre las enzimas asociadas a los carbohidratos y descubrimos la clasificación que falta”, añadió Nakajima. "Este avance fue posible gracias a un entorno estructural único, que abre nuevas posibilidades para la glicosilación basada en enzimas".
El compuesto cíclico CβG16α se identificó mediante resonancia magnética nuclear y se identificaron residuos de unión al sustrato cruciales mediante el análisis estructural del complejo de Michaelis. XccOpgD facilita un mecanismo de transglicosilación inversora de anómero, con funciones catalíticas clave desempeñadas por los residuos D379 y D291.
Este descubrimiento tiene un inmenso potencial para desarrollar pesticidas antibacterianos específicos.
“Esperamos en el futuro un concepto de pesticida dirigido a este homólogo de enzima. A diferencia de los fungicidas que promueven la aparición de bacterias resistentes a los medicamentos en el suelo, atacar esta enzima podría potencialmente inhibir la patogenicidad sin causar esterilización”, añadió Nakajima. "Los homólogos de enzimas identificados en este estudio pueden servir como objetivos farmacológicos prometedores basados en estructuras, ofreciendo una posible solución al problema de las bacterias resistentes a los medicamentos".
El avance promete una mayor resiliencia agrícola, una mayor seguridad alimentaria y una mitigación de los impactos ambientales relacionados con los pesticidas convencionales. A medida que los investigadores continúan explorando las aplicaciones potenciales de XccOpgD, este avance podría allanar el camino para soluciones sostenibles a los desafíos agrícolas globales, beneficiando a los agricultores y los ecosistemas de todo el mundo.