Armas enzimáticas contra ejércitos encapsulantes

Tenemos una planta y tenemos un patógeno que ha decido atacarla. Para defenderse la planta produce una molécula con capacidad para aniquilar al patógeno. A continuación el patógeno repele el contraataque de la planta lanzando su segunda ofensiva y la pone contra las cuerdas. Por último la planta se escapa empleando una técnica que no había sido descrita anteriormente en el reino vegetal.

El conocimiento de las rutas implicadas en la lucha planta-patógeno es una de las ramas más fascinantes de la bioquímica vegetal. Si además en esa pugna está implicada la encapsulación molecular, una de las técnicas de las que más se está hablando en los últimos años, y también participa el compuesto bioactivo de moda, el pterostilbeno, podemos asegurar que el proceso es fascinante. Vayamos por partes.

Estructura química del pterostilbeno

Estructura química del pterostilbeno

El pterostilbeno es una molécula perteneciente a un grupo de compuestos fenólicos llamados estilbenos identificado en varias fuentes como las hojas de la parra, los cacahuetes, los arándanos, etc. Por sus propiedades antioxidantes, anticancerígenas, antiinflamatorias, antifúngicas, analgésicas o anticolesterolémicas, el pterostilbeno se ha convertido en el objeto de deseo de diversos sectores, como las industrias alimentaria o farmacéutica, que han visto en este compuesto un elemento clave para el desarrollo de nuevos productos con alto valor añadido. A los bioquímicos vegetales, sin embargo, hay una serie de aspectos relativos al pterostilbeno que nos interesan aun más que su claro uso industrial.

¿Cómo se forma en la naturaleza? ¿Qué misión tiene? ¿En qué rutas metabólicas está implicado?

Cuando en la naturaleza un hongo como Botrytis cinerea ataca determinadas especies vegetales éstas pueden defenderse sintetizando una serie de compuestos llamados fitoalexinas que constituyen su primera línea de defensa. Entre estas fitoalexinas podemos encontrar al potente pterostilbeno, cuya capacidad antifúngica debería servir para derrotar a Botrytis cinerea. Sin embargo, este hongo tiene guardado un as bajo la manga que evite su triste final.

Fresa infectada por Botrytis cinerea

Fresa infectada por Botrytis cinerea

Para defenderse de la acción del pterostilbeno producido por la planta, Botrytis cinerea lanza una segunda ofensiva sobre la misma que le sirva no solamente para repeler la acción de esta fitoalexina, sino para destruir a la planta definitivamente.

A pesar de que tradicionalmente Botrytis cinerea suele activar su sistema enzimático de ataque a través de la potente enzima lacasa, en este caso la estrategia es distinta ya que pterostilbeno no es un sustrato susceptible de ser destruido por lacasa. La alternativa empleada por Botrytis cinerea es inesperada ya que no se había descrito anteriormente para este hongo: poner en marcha una de sus actividades enzimáticas más letales para destruir al pterostilbeno, la peroxidasa (POX), una enzima de gran interés bioquímico perteneciente al grupo de las oxidorreductasas.

Botrytis cinérea sacó a relucir su as escondido. Aunque son muchos los sustratos enzimáticos descritos para la enzima POX, jamás se había estudiado la oxidación de pterostilbeno por esta enzima como un paso que explicaría el mecanismo por el cual Botrytis cinerea intenta desactivar la defensa de una planta frente al ataque fúngico.

Sin embargo, en el trabajo descrito en este post se observa como POX es capaz de destruir al pterostilbeno a 25ºC y pH 7.0, haciendo estéril el intento de la planta de defenderse frente al ataque inicial de Botrytis cinerea. Pero aun hay más. Gracias a su actividad POX el hongo no solo inactiva la capacidad antifúngica del pterostilbeno producido por la planta en su contraataque, sino que los productos originados tras la reacción enzimática podrían llegar a destruir a la propia planta. Veamos.

Estructura tridimensional de una enzima perteneciente a la familia de las peroxidasas

Estructura tridimensional de una enzima perteneciente a la familia de las peroxidasas

Un análisis por cromatografía líquida de alta resolución acoplado a espectrometría de masas permitió identificar los tres productos de la reacción de la enzima POX sobre el pterostilbeno. Estos tres compuestos no solamente son altamente tóxicos para la planta, sino que además gracias a su baja solubilidad en agua la planta no es capaz de eliminarlos fácilmente por lo que su acumulación podría provocar la muerte definitiva de la planta. El hongo parecía tener ganada la batalla gracias a su actividad peroxidasa sobre el pterostilbeno… pero no fue así. La planta tenía una última sorpresa final preparada para el hongo.

La única estrategia valida que le quedaba a la planta para escapar de la encerrona preparada por el hongo Botrytis cinerea era encontrar una manera de deshacerse rápidamente de los productos de oxidación del pterostilbeno altamente insolubles …. y la encontró gracias a la encapsulación molecular.

Varios autores han descrito el sistema amilosa/amilopectina de muchas especies del reino vegetal como un modelo in vivo de encapsulación molecular gracias a la cual las plantas pueden atrapar en su interior a distintas moléculas, provocando, ente otras cosas, un aumento en su solubilidad. En el caso que nos ocupa, y si se produce este proceso, la planta podría encapsular a los tres compuestos productos de oxidación del pterostilbeno por la enzima POX incrementando su solubilidad y, por tanto, eliminarlos de su interior.

Para comprobar esta hipótesis nuestro grupo de investigación empleó ciclodextrinas, agentes encapsulantes de naturaleza glucosídica que simulan in vitro la acción de la amilosa/amilopectina in vivo. El resultado fue positivo. En presencia de ciclodextrinas la proporción entre los productos de la reacción de la POX del hongo sobre el pterostilbeno de la planta cambió radicalmente, lo que demostraba que las ciclodextrinas son capaces de encapsular dichos productos. La hipótesis de trabajo estaba confirmada.

La planta, gracias a la encapsulación molecular logró aumentar la solubilidad de los compuestos tóxicos que había introducido Botrytis cinerea en su estructura permitiendo su eliminación definitiva. Los buenos habían vuelto a ganar la batalla: la planta había repelido dos veces el ataque del patógeno salvando su vida. Es ley de vida.

Compuesto bioactivo encapsulado por una ciclodextrina

Compuesto bioactivo encapsulado por una ciclodextrina

Concluyo. En nuestra vida diaria consumimos gran cantidad de productos enriquecidos en moléculas bioactivas con elevado valor añadido que cumplen determinadas funciones sobre nuestro organismo. Sin embargo solemos olvidar que esas mismas moléculas desempeñan una labor fundamental en sus fuentes originales, bien sean del reino vegetal o animal. El conocimiento de las rutas bioquímicas implicadas en los procesos de generación, transformación o eliminación de dichas moléculas bioactivas es fundamental para entender no solo el papel que juegan en plantas o animales sino, sobre todo, para conocer la respuesta del organismo humano ante la exposición a tales moléculas cuando son introducidas en productos alimenticos y/o farmacéuticos.

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Este artículo ha sido realizado por Jose M. López Nicolás, Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad de Murcia, donde actualmente es Profesor Titular del Departamento de Bioquímica y Biología Molecular-A, y es una colaboración de Naukas con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU.

Bibliografía:

Rodríguez-Bonilla P, Méndez-Cazorla L, López-Nicolás JM, García-Carmona F. Kinetic mechanism and product characterization of the enzymatic peroxidation of pterostilbene as model of the detoxification process of stilbene-type phytoalexins. Phytochemistry. 2011 Jan;72(1):100-8.

 


14 responses to “Armas enzimáticas contra ejércitos encapsulantes

  • Armas enzimáticas contra ejércitos encapsulantes | SCIENTIA

    […] Para seguir leyendo pinchar en este enlace. …y para menearlo en este otro. […]

  • Dr. Litos (@DrLitos)

    ¡Fascinante! La guerra molecular que luchan los seres vivos no deja de sorprendernos. Y la de aplicaciones biotecnológicas que se pueden derivar de todo este conocimiento… anda que no sirve para cosas la ciclodextrina, por no hablar de que el conocimiento de la regulación de la amilosa en plantas ha sido crucial para el estudio y los numerosos avances producidos en los últimos años en el campo de una enfermedad rara como es la de Lafora. Ya aprendí durante la tesis que las plantas tenían mucho que ofrecer, y a ellas llegué desde mis estudios en proteínas de mamíferos; ahora de nuevo la bioquímica vegetal se entrecruza con mi trabajo en enfermedad de Lafora, la retroalimentación en el trabajo científico es constante, imprevisible y muy enriquecedora.

    El post está genial, la única pega que hables de “buenos y malos”, ¡pobre hongo! ¡Imagínate sus miles de esporas y descendientes frustrados por no llegar jamás a prosperar a causa de la maldita planta y sus encapsulaciones desmedidas y violentas! ¡Es que nadie piensa en el otro bando nunca!

    • José Manuel López Nicolás

      <Gracias Carlos, como siempre digo tus comentarios dejan en mantillas al post. Estoy de acuerdo contigo. En realidad el hongo es el bueno…
      Por cierto tenemos que hablar del tema de la enfermedad de Lafora y de futuras colaboraciones en ese campo.
      Un abrazo compañero

  • Daniel Torregrosa (@DaniEPAP)

    Fabuloso post. Qué manera más fascinante y divertida de aprender. Analogías tan simples como la que has empleado en tu artículo te atrapan desde el principio. Yo a esto lo llamo Divulgación científica de “tela de araña”. Tras un comienzo atractivo, acabas enredado en una serie de conceptos científicos de nivel que terminan en vueltas y vueltas de “hilo de araña” que te deja una agradable sensación. Algo así como: leo, aprendo y no me aburro.

    Grande.

    Salud!

    • José Manuel López Nicolás

      Gracias Dani. Me guardo este comentario. ¿Quieres saber una cosa? Esta tela de araña, como tú bien llamas, es la misma que me enreda en el laboratorio cuando voy descubriendo lo que se esconde detrás de cada proceso que investigo. Un abrazo, amigo😉

  • Antonio

    Hola, considero que es un buen artículo de divulgación. Tenía algunas cuestiones en mente, si usted las pudiera responder:

    1- ¿Posee Botrytis algún efector capaz de disminuir la respuesta de defensa de la planta y la aparición de la resistencia sistémica adquirida en la misma?

    2- ¿Las lacasas están presentes en la mayoría de hongos fitopatógenos? (Es un dato que no consigo verificar, por si usted lo supiera).

    3- He visto que en ningún momento nombra la muerte celular programada, y dado que esta es el mecanismo de defensa definitivo de la planta, me gustaría saber si el hongo, ¿es capaz de detener o influenciar en la aparición de esta hipersensibilidad por parte de la planta?.

    Muchas gracias, y de nuevo, un muy buen artículo.

    Un Saludo.

    Antonio S.

    • José Manuel López Nicolás

      Hola Antonio,
      Gracias por tus comentarios. Te cuento…en la medida de mis posibilidades.
      1) La respuesta de la planta descrita en este post es una reacción puntual ante un proceso de detoxificación, Piensa que el hongo no utiliza peroxidasa (POX) como arma de ataque primaria ante la planta sino como respuesta ante la producción por parte de esta de una fitoalexina (pterostilbeno). Aunque esta batalla puntual la ganara la planta, el proceso global de infección de Botrytis supera la defensa de la planta. Te adelanto una cosa. Estamos estudiando el poder antifúngico de los tres productos de la oxidación de pterostilbeno por POX para ver hasta qu epunto el proceso de detoxificación puede dañar al hongo, pero por ahora, la respuesta es NO.
      2) Las lacasas están presentes en hongos pero no en todos. Además su papel difiere en unos y en otros. Ejemplos son Cryphonectria parasitica, Ophiostoma novo-ulmi, Gaeumannomyces, Trametes pubescens, Trametes versicolor, Grammothele subargentea, Grifola frondosa, Botrytis…Puedo mandarte mucha información al respecto si me escribes a josemln@um.es pero te adelanto algo. Lacasa no es una cutinasa ni una enzima que use el hongo para degradar la pared celular. Lacasa es una enzima que emplea el hongo como defensa ante la producción de fitoalexinas por al planta. Sin embargo queda mucho por estudiar acerca del papel de lacasa en la interacción planta-patógeno ya que hay lagunas grandes en el papel fisiológico de esta enzima que oxida sustratos fenólicos empleando el cobre de su centro activo.
      3) Como bioquímico vegetal no puedo contestarte a eso con certeza así que prefiero ser prudente al respecto.
      Un saludo y ya sabes como localizarme si necesitas más información.
      Gracias

      • Antonio

        Muchas gracias por sus respuestas y su tiempo. Seguiré atentamente el blog.

        Saludos!

  • Adalil Seguridad Alimentaria

    Maravillosa tu capacidad de hacer fácil de leer y entender lo que en realidad es muy complejo.
    Fascinante el trabajo y muy bueno el artículo, poniendo la ciencia al alcance de la mano. Miraré con otros ojos a esa fresa que libra tal batalla en el fondo de la caja..
    Un saludo.

    Patricia.

  • Tanino

    Hola José Manuel:

    Todos tus artículos me los leo con intereres con diversión (mi mujer me veia reírme y cuando le decia estaba leyendo un articulo de un blog de ciencia me miraba como las al tren), pero este me toca de cerca profesionalmente. Soy enologo, y me toca pegarme con la lacassa y las polifenoloxidasas. Como sabes la UE esta limitando y prohibiendo cada vez mas productos fitosanitarios, y mis cuestiones después de leer tu artículo son: seria posible y efectivo emplear las ciclodextrinas para prevenir y parar un ataque de botrytis? Seria seguro para el consumidor? Seria economicamente viable? Y por ultimo podria afectar a la fermentacion alcoholica de las levaduras y/o la malolactica de las bacterias?.

    Un muy cordial saludo

    • José Manuel López Nicolás

      Hola tanino (apropiado nick al ser enólogo),
      Vayamos por partes.
      La adición de ciclodextrinas (CDs) no sirve para prevenir la Botrytis. SI te das cuenta las CDs (que proceden de la degradación enzimática del almidón) son un modelo in vitro para explicar lo que ocurre in vivo con la acción de la amilosa/amilopectina como agentes encapsulantes Botrytis emplea peroxidasa para degradar la fitoalexina pterostilbeno pero tiene muchas otras formas de ejercer su capacidad fúngica contra la planta. Además piensa que la uva no es buen ejemplo porque no es referente como reservorio de almidón.
      Sin embargo has nombrado otra enzima, la polifenoloxidasa, sobre la cual las CDs sí tienen un efecto demostrado como agentes ralentizantes del pardeamiento enzimático. Las CDs son capaces de encapsular los polifenoles sustratos de PPO e impedir durante un tiempo su oxidación por PPO. Tengo varios artículos científicos publicados al respecto y si te interesan puedes escribirme al mail josemln@um.es.
      Por otra parte las tres CDs naturales (alfa, beta y gamma) están consideradas como seguras tanto en EEUU (estatus GRAS) como en la UE (tienen código E).
      ¿Son rentables económicamente? Desde mi punto de vista..aun no, pero lo serán.
      Por último, aunque las CDs están formadas por unidades de glucosa, sus enlaces alfa 1-4 glucosídicos las hacen dificil sustrato de algunas levaduras y bacterias pero no es imposible. También tengo información al respecto.
      Un saludo…de alguien cuya primera beca de investigación fue como enólogo en estudiando al oxidación lipídica y su influencia en el potencial aromático de vinos en J.García Carrión.
      Jose

  • David Martínez

    Hola José un saludo me gusto mucho el articulo te cuento que estoy realizando una investigación de encapsulantes para utilizarlos en alimentos específicamente en pulpas edulcoradas de larga duración con el fin de tratar de eliminar en lo posible los conservantes ya é hecho algunas pruebas con algunos encapsulantes pero tu investigación me motivo a pensar si se podría utilizar alpterostilbeno como un actor encapsulante ante los ataques enzimáticos que se presentan durante el paso del tiempo que el alimento se encuentra en percha y si la ciclo dextrina podría funcionar de la misma forma en este tipo de productos.

    agradecerse mucho tu respuesta

    sigue adelante éxitos.

    • José Manuel López Nicolás

      Hola David,
      Te cuento. Tenemos tres alternativas para tu investigación; tratamiento térmico, adición de compuestos bioactivos con carácter antioxidante o antimicrobiano y encapsulación de compuestos bioactivos. Si la investigación es para uso industrial debes emplear el tratamiento térmico si el agente deterioran es termosensible. Es más rápido y económico. Sin embargo si hablamos de investigación básica deberías hacer una comparativa de los tres… pero ya te adelanto que un tratamiento combinativo es el que mejor resultado te dará.
      Sin embargo para profundizar más debes decirme de que alimento se trata concretamente y cual es el principal agente causante de su deterioro.
      Esas pruebas que has hecho…¿con que agente encapsulante han sido? ¿qué has tratado de encapsular?
      Podemos seguir en contacto por aquí o en el mail josemln@um.es. Lo que prefieras.
      Gracias por comentar.
      JOse

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