Aplicación de la biología sintética en plantas medicinales

Muchas drogas usadas en la industria farmacéutica, como por ejemplo: antibióticos, analgésicos, antimaláricos, etc. derivan de metabolitos secundarios producidos por las plantas, los cuales han sido modificados mediante la adición de un átomo para potenciar su actividad biológica, mejorar su captación y solubilidad en las células y reducir sus efectos secundarios. Es por esta razón que la halogenación de los productos naturales, o sea, la inserción de átomos de Cloro, Bromo, o Iodo en su estructura química, trae consigo profundos efectos en la farmacocinética del compuesto.

Sin embargo, las plantas no tienen la capacidad de producir principios activos halogenados, así que este proceso debe hacerse de manera sintética, usando equipos sofisticados, solventes sumamente tóxicos y aumentando los costos de producción.

Por suerte, tenemos una gran reserva de enzimas capaces de halogenar compuestos químicos complejos – comúnmente conocidas como las halogenasas – en las bacterias que habitan los suelos. Fue así que la Dra. Sarah O´Connor  y sus colegas del Departamento de Química del MIT, introdujeron halogenasas de las bacterias a las plantas para producir principios activos halogenados. Los resultados de este estudio fueron publicados hoy en Nature.

O’Connor et al. se enfocaron en la “vinca de Madagascar” (Cathrantus roseus), una planta medicinal muy usada para tratar diversos males, tales como la diabetes, la malaria o la enfermedad de Hodking; y de donde se extraen dos importantes sustancias anticancerígenas, la vincristina y la vinblastina, usadas en el tratamiento de la leucemia; para realizar sus experimentos.

Esta planta produce una gran variedad de alcaloides indol monoterpénicos. La ruta metabólica de producción de estos compuestos se inicia con la conversión del triptófano (un aminoácido esencial) en triptamina. Luego, forma un intermediario llamado estrictosidina de donde derivan más de 100 tipos diferentes de alcaloides.

Entonces, O’Connor se preguntó si estas halogenasas bacterianas podrían funcionar si son introducidas en las plantas. De ser así, podrían transformar un triptófano en un tritófano halogenado y este en una triptamina halogenada, luego formar una estrictosidina halogenada, para finalmente generar más de 100 tipos diferentes de alcaloides halogenados.

Estudios previos ya habían demostrado la capacidad de la enzima Triptófano descarboxilasa – que cataliza el paso de triptófano a triptamina – para usar al triptófano halogenado como sustrato, y formar la triptamina halogenada. Entonces, sólo quedaba por introducir un enzima capaz de halogenar el tritófano, ya que esta no se encuentra de manera natural en las plantas.

O'Connor et al. usaron dos enzimas halogenasas bacterianas: la PirH (que inserta el cloro o el bromo en la posición 7 del triptófano) y la RebH (que inserta sólo el cloro en la posición 5 del triptófano). Los genes de estas dos enzimas fueron insertados en el genoma de C. roseus usando vectores de transformación y expresión genética de plantas (pCAMBIA 1300) y a Agrobacterium rhizogenes como transmisor del vector [Próximamente en BioUnalm for dummies].

Como era de esperarse, los cultivos de plantas con las halogenasas bacterianas tuvieron la capacidad de formar triptamina halogenada usando como sustrato sólo el triptófano, tal como en una planta natural. Sin embargo, la enzima estrictosidina sintasa, que cataliza el paso de la triptamina a estrictosidina, no reconoció como sustrato a la triptamina halogenada. A diferencia de la enzima triptófano descarboxilasa, que era una enzima promiscua (ya que puede usar el triptófano con o sin halógeno como sustrato), la estrictosidina sintasa era más específica por su sustrato. Entonces, O’Connor diseñó una enzima estrictosidina sintasa mutante capaz de reconocer a la triptamina halogenada como sustrato. El gen de esta nueva enzima llamada STRvm fue introducida en la planta también usando un vector de transformación genética.

Fue así que las plantas con las halogenasas y la STRvm fueron capaces de producir una gran variedad de alcaloides halogenados. Sin embargo, los rendimientos de producción de alcaloides halogenados (26ug/g de tejido) fue 15 veces menor al rendimiento de producción de alcaloides normales (420ug/g de tejido), lo cual se debe a que el triptófano halogenado ya no es reconocido por otras enzimas esenciales para la planta, como aquella encargada de la producción de las auxinas, una hormona vegetal que promueve el crecimiento de las células. La morfología de las raíces de las plantas productoras de alcaloides halogenados era más delgada y pequeña que su contraparte silvestre.

A pesar de esto, hay mucho potencial en este hallazgo, porque, a diferencia de la manera tradicional de como se obtenían los metabolitos secundarios usando la biología sintética, donde eran los genes de las plantas los introducidos en las bacterias, para que sean ellas las que produzcan el principio activo deseado; esta vez se hace de manera contraria.

Este proceso tiene grandes ventajas, ya que la síntesis de un metabolito secundario en una planta se lleva a cabo en muchos pasos, y cada paso esta catalizado por una enzima diferente, donde muchas de ellas aún son desconocidas. Por ejemplo: la síntesis del alcaloide indol monoterpénico más sencillo, la ajmalicina, requiere de al menos 14 enzimas diferentes, de las cuales, sólo dos son conocidas. reconstruir esta vía metabólica en una bacteria sería un trabajo extremadamente difícil y requeriría de una ingeniería metabólica sumamente avanzada, por esta razón, sería más sencillo añadir algunas pocas enzimas a las plantas, para incrementar la variedad de compuestos que producen.

Referencia:

Runguphan, W., Qu, X., & O’Connor, S. (2010). Integrating carbon–halogen bond formation into medicinal plant metabolism Nature, 468 (7322), 461-464 DOI: 10.1038/nature09524