Notizia

Mar 25, 2023

L'analisi delle singole cellule vegetali fornisce informazioni sulla biosintesi dei prodotti naturali

The Madagascar periwinkle (Catharanthus roseus) of the dogbane family produces a

La pervinca del Madagascar (Catharanthus roseus) della famiglia dei dogbane produce numerosi alcaloidi di interesse medico. Le analisi a livello cellulare hanno permesso di scoprire i geni per la biosintesi dei due più importanti prodotti naturali della pianta, vincristina e vinblastina, utilizzati nella cura del cancro.

ATENE — Un team internazionale di ricercatori dell'Università della Georgia e dell'Istituto Max Planck per l'ecologia chimica in Germania ha scoperto una strategia promettente per decodificare le vie metaboliche dei composti vegetali importanti nei trattamenti medici, secondo un nuovo studio pubblicato su Nature Chemical Biology .

Guidato da Chenxin Li del Centro per le tecnologie genetiche applicate dell'UGA presso il College of Agricultural and Environmental Sciences, il gruppo di ricerca ha studiato la biosintesi di due alcaloidi della pervinca del Madagascar (Catharanthus roseus) che vengono utilizzati come agenti antitumorali nella medicina umana. I geni per la formazione di questi principi attivi sono espressi in diversi tipi di cellule.

Utilizzando l'analisi di singole cellule, gli scienziati sono riusciti a scoprire nuovi geni importanti per la biosintesi e a dimostrare che gli intermedi del percorso metabolico si accumulano in tipi cellulari specifici. Gli intermedi sono molecole che sono i precursori o metaboliti di molecole biologicamente significative.

I ricercatori prevedono che questo approccio metodologico fornirà nuove importanti informazioni sulla biosintesi di molti altri prodotti naturali del regno vegetale.

Le piante sono impressionanti nella loro diversità, soprattutto nella varietà di metaboliti che producono. Molti prodotti vegetali naturali sono composti da molecole altamente complesse, come gli alcaloidi vincristina e vinblastina, prodotti dalla pervinca del Madagascar. Queste due sostanze sono già indispensabili nella terapia del cancro e i ricercatori sono interessati a scoprire quali singoli passaggi biosintetici sono necessari per formare le molecole complesse.

"Attualmente, questi composti sono ancora ottenuti in quantità molto piccole dall'estratto delle foglie della pianta. Possiamo imparare dalla pianta come viene prodotto questo composto e utilizzare questa conoscenza per sviluppare sistemi di produzione più convenienti, scalabili e sostenibili", ha affermato Li, primo autore dello studio, descrivendo l'obiettivo della ricerca.

Gli scienziati sanno che l'attività genetica differisce tra le cellule di una pianta e che la chimica può differire drasticamente da cellula a cellula. L'obiettivo del recente studio era quello di utilizzare una nuova serie di metodi chiamati collettivamente omici unicellulari per indagare tipi cellulari specializzati e rari che svolgono un ruolo centrale nella biosintesi dei prodotti naturali vegetali e i cui segnali sono spesso oscurati da cellule più abbondanti tipi negli organi vegetali.

"Con l'omica unicellulare, abbiamo un metodo che consente ai ricercatori di assegnare informazioni genetiche e metaboliche alle singole cellule", Lorenzo Caputi, capo del gruppo di progetto sulla biosintesi degli alcaloidi presso il Dipartimento di biosintesi dei prodotti naturali presso MPI e uno degli autori principali , disse. "Il termine 'omics' si riferisce al fatto che un intero insieme di geni o metaboliti viene quantificato e analizzato."

Come hanno mostrato le analisi, l’intero percorso biosintetico dell’alcaloide vinblastina è organizzato in tre fasi e tre tipi cellulari distinti.

"Il primo stadio è espresso esclusivamente in cellule specializzate associate ai fasci vascolari della foglia, chiamate IPAP", ha detto Li. "La seconda fase della via biosintetica è espressa solo nelle cellule dell'epidermide, lo strato di cellule che ricoprono le foglie, e gli ultimi passaggi conosciuti della via biosintetica sono espressi esclusivamente negli idioblasti, un raro tipo di cellula della foglia."

I ricercatori hanno misurato le concentrazioni di diversi intermedi nella via metabolica della vinblastina in singole cellule e sono rimasti sorpresi dai risultati.

"Due importanti precursori della vinblastina - catarantina e vindolina - si verificano nelle cellule degli idioblasti a concentrazioni millimolari, circa tre ordini di grandezza superiori alla vinblastina stessa", ha detto Sarah O'Connor, capo del Dipartimento di biosintesi dei prodotti naturali presso MPI. "La concentrazione dei due precursori in queste cellule era molto più alta di quanto ci aspettassimo e superava addirittura la concentrazione negli estratti di organi interi.