Los científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven descubrieron una mutación que hace que las plantas normales de Arabidopsis (izquierda) sean deficientes en esteroles (derecha). Hicieron extensos experimentos genéticos y bioquímicos para establecer el papel esencial de los esteroles en la formación de gotas de aceite. Crédito:Laboratorio Nacional de Brookhaven
Científicos identifican esteroles esenciales para la acumulación de aceite en las plantas
Los científicos que buscan desentrañar los detalles de cómo las plantas producen y acumulan aceite han identificado un nuevo componente esencial de la línea de montaje. Descubrieron un esterol particular, una molécula relacionada con el colesterol, que juega un papel clave en la formación de gotas de aceite.
"Esta investigación amplía en gran medida nuestra comprensión de los factores moleculares que gobiernan la formación de gotas de lípidos, que son orgánulos vitales para el almacenamiento y el metabolismo del aceite en todos los organismos eucariotas", dijo Changcheng Xu, biólogo del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. quien dirigió el estudio. Los hallazgos, publicados en Nature Communications , puede sugerir nuevas formas de diseñar el contenido de aceite de una variedad de tejidos vegetales.
El biólogo del laboratorio de Brookhaven, Changcheng Xu, y su equipo han estado explorando formas de hacer que las plantas acumulen más aceites en hojas y tallos, abundantes tejidos vegetativos que podrían cosecharse para aplicaciones de bioenergía. Crédito:Laboratorio Nacional de Brookhaven
El trabajo puede ser particularmente importante para informar las estrategias de ingeniería genética destinadas a aumentar el contenido de aceite de las hojas y los tallos. Estos tejidos vegetales generalmente no acumulan aceite, pero podrían diseñarse como una fuente abundante de aceites sostenibles para fabricar biocombustibles y otros productos básicos, dicen los científicos.
Los hallazgos también se aplican a la acumulación de aceite en las semillas de las plantas, el principal lugar donde los aceites se acumulan naturalmente en las plantas. Estos reservorios naturales de aceites vegetales brindan nutrición a los embriones y plántulas de las plantas, así como a los animales y los humanos.
"Descubrimos que una deficiencia en un tipo particular de esterol provoca una disminución en la acumulación de aceite en semillas y hojas", dijo Xu.
Luz verde para la producción de petróleo
Xu y su equipo han estado trabajando durante años para aumentar la acumulación de aceite en las hojas y tallos de las plantas.
“Las hojas, en comparación con las semillas, son mucho más abundantes como posible material bioenergético”, señaló. "Además, debido a que el aceite de las semillas se usa como alimento, estamos trabajando para acumular aceite y otros bioproductos básicos en partes de las plantas que no son semillas, como hojas y tallos, para evitar la competencia entre los alimentos y el combustible".
Las gotitas brillan de color verde:los científicos de Brookhaven Lab diseñaron plantas de Arabidopsis para expresar la proteína fluorescente verde unida a la oleosina, una proteína que estabiliza las gotitas de lípidos (LD). En la fila superior, esos LD son fáciles de detectar bajo un microscopio fluorescente en hojas de plantas de control (izquierda) pero no en hojas de mutantes deficientes en esteroles (derecha). Las imágenes de microscopio electrónico de la fila inferior muestran un aumento en el tamaño de LD pero una disminución en el número de LD en semillas de mutantes de esteroles. Crédito:Laboratorio Nacional de Brookhaven
El equipo ha logrado algunos avances en hacer que las hojas acumulen cantidades sustanciales de aceite, usando la planta común de laboratorio Arabidopsis.
Desarrollaron una forma ordenada de rastrear la acumulación de petróleo. A través de la ingeniería genética, crearon plantas de Arabidopsis en las que una proteína verde fluorescente siempre está unida a una proteína llamada oleosina. La oleosina solo se acumula en la superficie de las gotas de lípidos. Forma parte de la membrana que rodea estos compartimentos de almacenamiento de aceite dentro de las células para ayudar a estabilizarlas. Si una muestra de tejido vegetal (hoja, tallo o semilla) contiene gotas de lípidos, se destacan como pequeños puntos verdes bajo un microscopio de fluorescencia.
"Tratamos nuestras plantas de Arabidopsis con un mutágeno para intentar desencadenar mutaciones que aumentarían la acumulación de aceite", dijo Xu, usando la técnica de fluorescencia para identificar cepas con más puntos verdes o más grandes.
Irónicamente, hicieron su descubrimiento sobre el esterol en una cepa de Arabidopsis que casi no acumulaba aceite.
“El objetivo principal del trabajo actual fue descubrir qué modificación genética causó esta caída dramática en la acumulación de petróleo”, dijo Xu. "Pensamos que rastrear este gen podría darnos algunos genes/proteínas nuevos que son importantes en la formación o acumulación de gotas de lípidos".
Pistas para el montaje interior
A escala microscópica, los científicos saben que las gotas de lípidos se forman en el "retículo endoplásmico" o RE de las células. Esa es una red interna de membranas dentro de las células (no la membrana que rodea la célula) que actúa como una especie de fábrica, ensamblando y empaquetando varios materiales como proteínas y lípidos.
Formación de gotitas de aceite:El aceite (amarillo) se acumula entre las capas de la membrana que forma el retículo endoplásmico (RE), una red de membranas dentro del citoplasma de las células vegetales. Las gotas crecen y finalmente se pellizcan para quedar suspendidas en el citoplasma. Pero este proceso solo ocurre en ciertos microdominios que son ricos en esteroles y oleosinas a lo largo de la membrana. El equipo de Brookhaven plantea la hipótesis de que el esterol es esencial para la formación de estos microdominios formadores de gotas. Crédito:Laboratorio Nacional de Brookhaven
Las gotas de almacenamiento de lípidos se forman cuando el aceite comienza a acumularse entre las dos capas de la membrana del RE, pero solo en ciertas regiones del RE. Eventualmente, cuando hay suficiente aceite presente, los pequeños fragmentos de membrana se desprenden dejando el aceite encapsulado en compartimentos autónomos.
Como muestra el estudio de Brookhaven, el estudio de una planta que no acumula estas gotitas de lípidos puede ofrecer pistas sobre los factores bioquímicos que impulsan el proceso, y lo que es único acerca de los dominios ER particulares donde ocurre.
Concentrándonos en el gen
Para averiguar qué mutación desencadenó la drástica caída en la acumulación de petróleo, el equipo de Brookhaven utilizó una técnica conocida como clonación posicional, una forma de buscar en cada región de los cromosomas para identificar un gen particular responsable de una característica de interés. La técnica redujo la búsqueda a una región específica en uno de los cromosomas de la planta.
"Esta región todavía contiene cientos de genes candidatos", dijo Xu.
Después de usar la secuenciación del genoma completo para buscar cualquier mutación en esta región, el equipo identificó un gen que sospechaban que estaba involucrado. El gen codifica una enzima responsable de un paso bioquímico en la síntesis de múltiples pasos del esterol, una molécula relacionada con el colesterol que se encuentra en el RE y otras membranas celulares.
Al "eliminar" selectivamente la versión normal (no mutada) de este gen, los científicos pudieron duplicar el efecto de la mutación. Es decir, las plantas con el gen desactivado no acumularon gotitas de lípidos. Además, al volver a agregar el gen no mutado se restauró la acumulación de gotas de aceite.
"Este experimento proporcionó evidencia clara de que el esterol juega un papel esencial en la formación de gotas de aceite", dijo Xu.
Pero los científicos fueron más allá. También estudiaron lo que sucedería si mutaran genes para enzimas "aguas arriba" de esta enzima en particular en la vía de síntesis de esteroles de varios pasos. Y midieron los niveles de esteroles en estos mutantes.
Los estudios detallados les permitieron concentrarse en el tipo específico de esterol que, cuando es deficiente, da como resultado una baja acumulación de aceite.
Mutaciones en los mismos genes resultaron en una reducción de la acumulación de aceite en hojas y semillas. En las semillas, donde las gotas de lípidos son más fáciles de ver, los científicos también realizaron estudios cuantitativos de sus formas y tamaños.
Juntos, los resultados proporcionan evidencia de un papel universal para este esterol en particular en la formación de gotas de lípidos.
“Creemos que este esterol es vital para la formación de un microdominio en la membrana del RE que participa en la formación de gotitas de lípidos”, dijo Xu. "La deficiencia de esteroles da como resultado un defecto en la formación de dicho microdominio".
Ahora que saben lo que sucede cuando se desactivan estos genes, los científicos sugieren que las estrategias para activarlos y aumentar su expresión podrían ser una forma de aumentar la acumulación de aceite en hojas, tallos o semillas.
El equipo explorará estas estrategias en futuros experimentos.
Referencia:"Se requieren esteroles para el ensamblaje coordinado de gotitas de lípidos en semillas en desarrollo" por Linhui Yu, Jilian Fan, Chao Zhou y Changcheng Xu, 22 de septiembre de 2021, Nature Communications .
DOI:10.1038/s41467-021-25908-6
Este trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias del DOE (BES).
