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Um fungo que infesta as plantações de arroz em todo o mundo consegue entrar nas células das plantas de uma forma que as deixa vulneráveis a bloqueadores químicos simples, uma descoberta que pode levar a novos fungicidas para reduzir as perdas anuais substanciais de arroz e outros cereais valiosos.
A cada ano, a doença da explosão, causada pelo patógeno fúngico Magnaporthe oryzaeataca e mata plantas que representam entre 10% e 35% da safra mundial de arroz, dependendo das condições climáticas.
Os bioquímicos da Universidade da Califórnia, em Berkeley, liderados por Michael Marletta, professor de química e de biologia molecular e celular, descobriram que o fungo secreta uma enzima que abre buracos na dura camada externa das folhas de arroz. Uma vez lá dentro, o fungo cresce rapidamente e inevitavelmente mata a planta.
Num artigo publicado esta semana na revista Anais da Academia Nacional de Ciências, Marletta e seus colegas descrevem a estrutura da enzima e como ela funciona para ajudar o fungo a invadir as plantas. Como a enzima é secretada na superfície da folha de arroz, um simples spray pode ser eficaz para destruir a capacidade da enzima de digerir a parede da planta. Os cientistas agora estão examinando produtos químicos para encontrar aqueles que bloqueiam a enzima.
“As estimativas são de que, se você pudesse eliminar esse fungo, poderia alimentar mais 60 milhões de pessoas no mundo”, disse Marletta, presidente de Choh Hao e Annie Li em Biologia Molecular de Doenças na UC Berkeley. “Esta enzima é um alvo único. Nossa esperança aqui é que façamos uma triagem para encontrar alguns produtos químicos exclusivos e criar uma empresa para desenvolver inibidores para esta enzima.”
Esse alvo faz parte de uma família de enzimas chamadas polissacarídeos monooxigenases (PMO) que Marletta e seus colegas da UC Berkeley descobriram há pouco mais de 10 anos em outro fungo mais difundido, Neurospora. Os polissacarídeos são polímeros de açúcar que incluem amido, bem como as fibras duras que tornam as plantas resistentes, incluindo celulose e lignina. A enzima PMO quebra a celulose em pedaços menores, tornando o polissacarídeo suscetível a outras enzimas, como as celulases, e acelerando a quebra das fibras vegetais.
“Há uma necessidade urgente de estratégias de controle mais sustentáveis para a brusone do arroz, particularmente no sul da Ásia e na África subsaariana”, disse Nicholas Talbot, colega e coautor de Marletta, especialista em doenças de plantas e diretor executivo do The Sainsbury. Laboratório em Norwich no Reino Unido. “Dada a importância do polissacarídeo monooxigenase para a infecção de plantas, pode ser um alvo valioso para o desenvolvimento de novos produtos químicos que podem ser aplicados em doses muito mais baixas do que os fungicidas existentes e com menor potencial de impacto ambiental. Também pode ser um alvo para completamente química- abordagens gratuitas também, como o silenciamento de genes.”
Marletta e os estudantes de Ph.D da UC Berkeley, Will Beeson e Chris Phillips, inicialmente se interessaram por essas enzimas porque elas degradam a celulose vegetal muito mais rapidamente do que outras enzimas descritas anteriormente e, portanto, tinham potencial para transformar biomassa em polímeros de açúcar que podem ser fermentados mais rapidamente em biocombustíveis . Os fungos usam PMOs para fornecer uma fonte de alimento.
Ele e colegas da UC Berkeley posteriormente encontraram indícios de que alguns PMOs fúngicos podem fazer mais do que simplesmente transformar celulose em comida. Esses PMOs foram ativados nos estágios iniciais da infecção, o que implica que são importantes no processo de infecção, e não no fornecimento de alimentos.
Foi isso que Marletta, Talbot e seus colegas descobriram. Liderados pela colega de pós-doutorado Alejandra Martinez-D’Alto, os cientistas da UC Berkeley caracterizaram bioquimicamente este PMO único, chamado MoPMO9A, enquanto Talbot e o colega de pós-doutorado da UC Berkeley Xia Yan mostraram que eliminar a enzima reduziu a infecção em plantas de arroz.
Marletta e seus colegas da UC Berkeley encontraram PMOs semelhantes em fungos que atacam uvas, tomates, alface e outras culturas importantes, o que significa que as novas descobertas podem ter ampla aplicação contra doenças fúngicas de plantas.
“Não é apenas contra o arroz que os inibidores de moléculas pequenas podem ser usados. Eles podem ser amplamente usados contra uma variedade de patógenos de culturas diferentes”, disse Marletta. “Acho que o futuro para isso, em termos de desenvolvimento de medicamentos para patógenos de plantas, é bastante empolgante, e é por isso que vamos buscar a ciência fundamental disso, como sempre fazemos, e tentar juntar as peças para girá-lo. como uma empresa.”
Biocombustíveis abrem caminho para atacar patógenos fúngicos
Marletta é especialista em identificar e estudar enzimas novas e incomuns em células humanas. Mas há 10 anos, quando as pessoas ficaram entusiasmadas com os biocombustíveis como forma de lidar com as mudanças climáticas, ele recebeu uma bolsa do Instituto de Biociências Energéticas da UC Berkeley para procurar enzimas em outras formas de vida que digerem a celulose vegetal mais rapidamente do que as enzimas conhecidas na época. . O objetivo era transformar fibras duras de celulose em polissacarídeos de cadeia curta que a levedura pudesse fermentar em combustível.
“Eu disse a dois dos meus alunos do primeiro ano de pós-graduação, Chris Phillips e Will Beeson: ‘Sabe, deve haver organismos por aí que comem celulose rapidamente’”, disse Marletta. “Esses são os que queremos encontrar, porque conhecemos as enzimas que o comem lentamente, e elas não são particularmente úteis no sentido da biotecnologia porque são lentas.”
Phillips e Beeson conseguiram encontrar enzimas de ação rápida em um fungo comum, Neurospora, que está entre os primeiros fungos a atacar árvores mortas após um incêndio e faz um trabalho rápido de digestão da madeira em busca de nutrientes. Eles isolaram a enzima responsável, o primeiro PMO conhecido, e descreveram como funcionava. Desde então, os alunos de Marletta identificaram 16.000 variedades de PMO, a maioria em fungos, mas algumas em bactérias comedoras de madeira. Até o momento, eles tiveram algum sucesso em acelerar a produção de biocombustíveis como parte de um coquetel de outras enzimas, embora não tenham tornado os biocombustíveis competitivos com outros combustíveis.
Mas Marletta ficou intrigada com um pequeno subconjunto dessas 16.000 variedades que pareciam fazer mais do que fornecer nutrição para fungos. O MoPMO9A, em particular, tinha um segmento de aminoácido que se liga à quitina, um polissacarídeo que forma o revestimento externo dos fungos, mas não é encontrado no arroz. E embora todos os PMOs sejam secretados, o MoPMO9A foi secretado durante o ciclo infeccioso do fungo.
Estudos subsequentes mostraram que Magnaporthe concentra MoPMO9A em uma célula de infecção pressurizada, chamada apressório, da qual é secretada na planta, com uma porção da enzima ligando-se ao exterior do fungo. A outra extremidade da enzima tem um átomo de cobre embutido em seu centro. Quando o fungo coloca a ponta solta da enzima na folha do arroz, o átomo de cobre catalisa uma reação com o oxigênio para quebrar as fibras de celulose, ajudando o fungo a romper a superfície da folha e invadir toda a folha.
“Estávamos curiosos: ‘Ei, por que essa enzima tem um domínio de ligação à quitina se deveria estar trabalhando na celulose?’”, de acordo com Marletta. “E foi aí que pensamos: ‘Bem, talvez seja secretado, mas adere ao fungo. Dessa forma, quando o fungo está pousado na planta, pode ter entre ele e a folha o domínio catalítico para perfurar o buraco no folha.’”
Isso provou ser o caso. Marletta e Talbot agora estão testando outros patógenos que produzem PMOs para ver se eles usam o mesmo truque para entrar e infectar folhas. Nesse caso – Marletta está confiante de que sim – também abre caminhos para atacá-los com um fungicida em spray.
“O único lugar onde você encontra PMOs como este é em patógenos de plantas que precisam obter acesso ao seu hospedeiro. Portanto, eles quase certamente funcionarão da mesma maneira”, disse Marletta. “Acho que o escopo do trabalho para desenvolver inibidores para esse PMO em particular vai muito além do arroz, embora isso seja muito importante. Seremos capazes de usá-los em outras plantas importantes.”
Outros co-autores do papel são Alejandra Martinez-D’Alto, Tyler Detomasi, Richard Sayler e William Thomas da UC Berkeley. Marletta é membro da filial de Berkeley do California Institute for Quantitative Biosciences (QB3). A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation (CHE-1904540, MCB-1818283) e pelo National Institutes of Health (F32-GM143897).
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