As plantas regulam o seu crescimento e desenvolvimento usando hormonas, incluindo um grupo chamado estrigolatonas que previne o crescimento excessivo e a ramificação. Pela primeira vez, cientistas liderados pela UC Riverside sintetizaram os estrigolatonas a partir de micróbios. O trabalho é publicado na revista de acesso livre, Science Advances. As estrigolatonas também ajudam as raízes das plantas a formar relações simbióticas com microrganismos que permitem à planta absorver nutrientes do solo. Estes dois fatores levaram ao interesse agrícola na utilização de estrigolatonas para controlar o crescimento de ervas daninhas e parasitas radiculares, bem como para melhorar a absorção de nutrientes.
Estes compostos extrudantes das raízes não vêm sem riscos. Também estimulam a germinação de ervas daninhas e de vassouras, o que pode causar o fracasso de culturas inteiras de cereais, tornando a investigação exaustiva essencial antes do desenvolvimento comercial. Os cientistas ainda estão a aprender sobre os papéis fisiológicos desempenhados por este grupo diversificado de hormonas nas plantas. Até recentemente, a fabricação de estrigolatonas puros para estudo científico tem sido difícil e demasiado dispendioso para uso agrícola.
"O nosso trabalho proporciona uma plataforma única para investigar a biossíntese e evolução da estrigolatonas, e lança as bases para o desenvolvimento de processos de bioprodução microbiana de estrigolatonas como fontes alternativas", disse o autor correspondente Yanran Li, professor assistente de engenharia química e ambiental da UC Riverside.
Juntamente com o autor correspondente Kang Zhou na Universidade Nacional de Singapura, Li dirigiu um grupo que inseriu genes vegetais associados à produção de estrigolatonas em levedura de padeiro comum e bactérias não patogénicas Escherichia coli que, em conjunto, produziram uma gama de estrigolatonas.
A produção de estrigolatonas a partir de levedura revelou-se muito desafiante. Embora se saiba que a levedura de engenharia modificou o precursor da estrigolatonas, chamado carlactona, não conseguiu sintetizar a carlactona com nenhum dos genes específicos utilizados pelos investigadores.
"Este projeto teve início no início de 2018, mas durante mais de 20 meses não houve basicamente nenhum progresso. A enzima de porteiro DWRF27 não é funcional, independentemente da forma como tentamos na levedura", disse Li. "Kang desenvolveu uma técnica de consórcio microbiano para produzir um precursor de Taxol em 2015 e que inspirou esta maravilhosa colaboração".
A equipe voltou-se para a E. coli, que já tinha demonstrado ser capaz de produzir carlactone. A carlactona que produzia, no entanto, era instável e não podia ser mais modificada por E. coli artificial em qualquer estrigolatonas. O grupo de Li conseguiu otimizar e estabilizar o precursor da carlactona.
Para seu deleite, quando a levedura e as bactérias foram cultivadas juntas no mesmo meio, a E. coli e a levedura funcionaram como uma equipa: A E. coli fez carlactona, e a levedura transformou-a em vários produtos finais de estrigolatonas. O método também produziu estrigolatonas suficientes para extrair e estudar. Usando esta plataforma, o grupo identificou a função de múltiplas enzimas biossintéticas de estrigolatonas, mostrando que a laranja doce e a uva têm o potencial de sintetizar estrigolatonas do tipo orobanchol.
A equipa também concebeu o metabolismo microbiano para aumentar a produção de estrigolatonas três vezes a 47 microgramas por litro, o suficiente para o estudo científico. Embora a produção comercial de estrigolatonas ainda esteja muito longe, o novo método de biossíntese a partir de um consórcio de bactérias levdura-bacteria ajudará os cientistas a aprender mais sobre este importante grupo de hormonas vegetais, especialmente as enzimas envolvidas.
As enzimas são catalisadores de proteínas e são responsáveis pela modificação da carlactona pela levedura. Uma vez que a carlactona é instável, não pode ser adquirida de fontes comerciais. Como resultado, muitos cientistas de plantas têm dificuldade em estudar novas enzimas que possam funcionar para transformar a carlactona em estrigolatonas.
"A nova co-cultura de levedura-bacteria fornece uma forma conveniente para os cientistas completarem tais trabalhos porque a bactéria faz carlactona in situ", disse Zhou. "Com a descoberta de mais enzimas e a optimização do consórcio microbiano, podemos fabricar estrigolatonas em quantidade no futuro".
Li e Zhou juntaram-se na investigação por Sheng Wu, Anqi Zhou, e Alex Valenzuela da UC Riverside; e Xiaoqiang Ma na Singapore-MIT Alliance for Research and Technology.
