Rastreando a formação de cardenolídeos em plantas

As plantas produzem uma impressionante variedade de metabólitos, incluindo muitos esteróides de valor médico. Exemplos bem conhecidos desta classe de substâncias obtidas de plantas são os cardenolídeos. Já em 1785, o médico britânico William Withering (1741-1799) publicou um livro sobre a dedaleira vermelha e seu uso na medicina (Um relato da dedaleira e alguns de seus usos médicos: com observações práticas sobre hidropisia e outras doenças (Birmingham 1785). Ele descobriu em experimentos que tomar extratos da planta aumentava o fluxo de urina em pessoas doentes, tratando assim a retenção de água no corpo. No entanto, ele não sabia que os ingredientes ativos das folhas da dedaleira tinham efeito direto no coração. Desde a segunda metade do século XIX, os cardenolídeos, glicosídeos cardíacos extraídos de plantas, têm sido usados ​​no tratamento de insuficiência cardíaca ou arritmia devido ao seu efeito no músculo cardíaco.

“Além de seu efeito na contratilidade do coração, os cardenolídeos têm sido usados ​​com grande sucesso nos últimos anos para o tratamento de vários tipos de câncer. No entanto, as vias biossintéticas das plantas correspondentes permaneceram em grande parte desconhecidas, apesar do sucesso dessas moléculas de esteróides em humanos. medicina. Nosso objetivo era, portanto, entender como as plantas sintetizam essas moléculas altamente complexas a partir de precursores previstos, mas simples, “explica a primeira autora Maritta Kunert.

Além da dedaleira Digitalis purpureaa equipe de pesquisa também estudou outra espécie de planta, a seringueira Calotropis procera. Embora estas duas plantas pertençam a famílias de plantas diferentes, ambas produzem grandes quantidades de cardenolídeos. Como as espécies estudadas não são plantas modelo cujos genomas foram sequenciados e para as quais muitas funções genéticas são conhecidas, o projeto foi inicialmente uma espécie de “caixa preta” para os pesquisadores, já que eles não tinham conjuntos de dados ou métodos padrão para recorrer. sobre. O ponto de partida para o estudo foi um trabalho anterior numa espécie relacionada de dedaleira, que sugeriu que a biossíntese ocorria através da molécula pregnenolona, ​​por vezes referida como a “mãe de todas as hormonas esteróides” porque todas as principais hormonas esteróides, como a testosterona, a progesterona e o estrogênio em humanos pode ser atribuído ao precursor pregnenolona.

“Identificamos os genes candidatos envolvidos na biossíntese de cardenolídeos por meio de análise comparativa das duas espécies de plantas. As estruturas dos cardenolídeos nessas plantas têm perfis sobrepostos e divergentes. Portanto, comparar informações sobre os genomas das plantas, em particular quais genes são expressos nestas duas plantas em relação à formação de metabólitos, foi muito útil na identificação das enzimas envolvidas na formação de pregnenolona”, diz o líder do estudo Prashant Sonawane, que lidera o grupo de projeto “Metabolismo Especializado em Esteroides em Plantas” no Departamento de Natural Biossíntese de Produtos.

Além disso, os cientistas nem sabiam onde os metabólitos de interesse se acumulavam nas diferentes partes das plantas. “A localização específica dos cardenolídeos no tecido foi crucial para usar os conjuntos de dados genéticos de uma forma que permitiu a seleção de 13 genes candidatos. A comparação desses conjuntos de dados em diferentes plantas nos ajudou a reduzir o número de genes candidatos para caracterização adicional, “explica Prashant Sonawane.

Finalmente foram identificadas duas enzimas da família 87A do citocromo P450 que catalisam a conversão tanto do colesterol quanto dos fitoesteróis em pregnenolona na dedaleira e Calotropis procera. Este foi o primeiro passo na via biossintética do cardenolídeo nessas duas plantas apenas distantemente relacionadas. É importante ressaltar que esta é a primeira função enzimática relatada para esta subfamília do citocromo P450.

Os cientistas testaram suas descobertas modificando plantas do sistema modelo Arabidopsis thaliana para produzir mais enzimas CYP87A. Os geneticamente modificados Arabidopsis as plantas acumularam níveis anormalmente elevados de pregnenolona. Outras evidências do envolvimento das enzimas CYP87A na formação da pregnenolona vieram de plantas dedaleira geneticamente modificadas que não possuíam as enzimas CYP87A em suas folhas. Nestas plantas, a formação de pregnenolona e cardenolídeos foi bastante reduzida. Os autores estabeleceram o primeiro sistema de transformação estável para modificar plantas dedaleira para o estudo de metabólitos especializados.

A equipe de pesquisa está longe de estar satisfeita em decifrar a primeira etapa enzimática da biossíntese do cardenolídeo. “Já estamos trabalhando nas etapas posteriores para a formação de cardenolídeos em diferentes espécies de plantas. Esta via biossintética é longa e altamente complexa. Com a capacidade de aplicar os mais recentes métodos de sequenciamento, bioinformática e metabolômica em múltiplas espécies de plantas, esperamos resolver esse quebra-cabeça em breve”, diz Prashant Sonawane.

As plantas produzem muitos compostos farmacêuticos. A extração destes produtos naturais ainda é muito complexa e muitas vezes pouco sustentável. O Departamento de Biossíntese de Produtos Naturais do Instituto Max Planck de Ecologia Química, liderado por Sarah O’Connor, tem como objetivo elucidar as vias biossintéticas de importantes fitoquímicos com relevância médica. “A descoberta de enzimas como a CYP87A pode ajudar a desenvolver plataformas biológicas para a produção sustentável de compostos vegetais de alto valor, utilizando outras plantas para a sua biossíntese”, diz Sarah O’Connor.