Metoxilação – Polímero hidrofóbico, cujas funções nas paredes das células incluem a dotação de resistência mecânica e o controle da absorção celular de água, a lignina é um dos alvos da equipe de pesquisadores. A estratégia para reduzir sua produção, o que poderia acarretar maior digestibilidade enzimática ou química das plantas modificadas, consiste em inibir a síntese do polímero, tal como descreveram Chang-Jun Liu e seu pupilo Mohammad-Wadud Bhuiya, em artigo publicado no início do ano(1).

A geração da lignina se dá com monômeros contendo cadeias fenilpropânicas contendo grupos hidroxila e metoxila. São os chamados monolignóis, particularmente alcoóis p-comarílico,
 

coniferílico e sinapílico, sintetizados no citoplasma de células vegetais e depois transportados para a parede celular, onde polimerizam por acoplamento oxidativo, produzindo macromoléculas com massas da ordem de 10 mil unidades, ou mais. Como mostra a Figura 1, a oxidação, primeiro passo para a formação do polímero, tem por requisito a presença de uma hidroxila livre na posição 4, não havendo, contudo, restrição para a metoxilação daquelas encontradas nas posições 3 e 5. O desafio dos pesquisadores foi, portanto, identificar enzima capaz de adicionar grupos metila a hidroxilas em posições 4 em moléculas similares, e modificá-la para que apresentasse afinidade por monolignóis.

Modelagem comparativa – A escolha de protótipo recaiu sobre a isoeugenol 4-O-metiltransferase (IEMT), enzima responsável pela metoxilação da hidroxila em posição para do isoeugenol, propenilfenol volátil estruturalmente semelhante aos monolignóis, produzido por espécies vegetais como Clarkia breweri, perfumada planta anual encontrada nas montanhas costeiras da Califórnia, e Ocimum basilicum, o popular manjericão.

Aproveitando caracterização prévia desta IEMT, publicada em 1999, os autores utilizaram-na como “matriz” em técnica computacional denominada modelagem por homologia, também conhecida por modelagem comparativa. O objetivo foi a construção da nova enzima com base na sequência de aminoácidos e da estrutura tridimensional, obtida por difração de raios X, da proteína homóloga.

Para elevar sua afinidade da enzima “mutante” pelos monolignóis, os pesquisadores concentraram-se no estudo de sete aminoácidos compreendidos no sítio ativo da enzima, com possível influência sobre a acomodação da estrutura fenólica do substrato. Triagens de variantes da enzima indicaram que a substituição dos aminoácidos Glu-165 e Thr-133 por aminoácidos mais hidrofóbicos foram determinantes para a especificidade com relação ao substrato, levando, ainda com o auxílio de uma terceira mutação, à obtenção de uma enzima capaz de promover a para-metoxilação de monolignóis com eficiência 70 vezes mais elevada que a enzima matriz (Figura 2). Ensaio de polimerização in vitro demonstrou posteriormente a ausência no meio de reação de produtos oriundos de acoplamento oxidativo de monolignóis, confirmando a concretização da proposta inicial.

Os pesquisadores têm agora pela frente o clássico desafio da engenharia genética, qual seja, inserir o código correspondente à nova enzima nos cromossomos das células vegetais e verificar sua expressão, originando, como desfecho, planta caracterizada por produção reduzida de lignina.

Plantando no deserto – A suberina, polímero estrutural predominante na cortiça, é um segundo polímero estrutural objeto de pesquisas nos laboratórios Brookhaven. O fato de a suberina participar da estrutura de paredes cuja permeabilidade determina o acesso de água e nutrientes à planta, além de servirem como barreiras para toxinas e micro-organismos, cria perspectivas atraentes na manipulação dos genes envolvidos na síntese do biopolímero. A presença reduzida de suberina nestes canais poderia, a exemplo do que ocorre com a inibição da síntese de lignina, favorecer o desenvolvimento de plantas mais digeríveis, apropriadas à produção de biocombustíveis.

Há, porém, outra implicação, até mais relevante. Alterações na permeabilidade das paredes em relação à água e nutrientes poderiam tornar uma espécie vegetal geneticamente manipulada neste particular mais resistente à escassez de água e capaz de sobreviver em terras áridas e, segundo os pesquisadores, até mesmo na presença de água salobra. Em contrapartida, áreas mais férteis, antes desperdiçadas na produção de biocombustíveis, crítica frequente ao cultivo de milho com tal finalidade nos Estados Unidos, seriam reservadas a objetivos mais nobres, como a produção de alimentos.

Mais uma vez o autor Chang-Jun Liu e colaboradores estudaram a biossíntese do biopolímero para identificar alvos para a possível inibição do processo. A suberina é um poliéster lipofílico constituído de dois domínios: um alifático, formado por ácidos graxos; e outro aromático, constituído de hidroxicinamatos, predominantemente ferulatos, p-comaratos e/ou sinapatos. Na análise de uma variedade de Arabidopsis, vegetal popular em experimentos genéticos(2), os cientistas identificaram a enzima hidroxiácido-hidroxicinamoiltransferase, HHT, como a responsável pela formação de ésteres de ferulato com cadeias graxas, bem como de monoferuloilglicerol, moléculas apontadas como monômeros precursores da suberina. O passo seguinte foi inativar o gene At5g41040, que codifica a enzima, criando mutantes de Arabidopsis, cujas raízes e sementes apresentam conteúdo reduzido de ferulato na suberina produzida, sem afetar os teores de p-comarato e sinapato.

Referências:
(1) Mohammad-Wadud Bhuiya & Chang-Jun Liu - Journal of Biological Chemistry 285(1):277-85, janeiro de 2010.
(2) Jin-Ying Gou, Xiao-Hong Yu & Chang-Jun Liu - Proceedings of the National Academy of Sciences 106(44):18855-60, novembro de 2009.

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