La bacteria del chancro cítrico puede ayudar en la elaboración de productos biorrenovables

Una investigación realizada en Brasil revela el proceso biológico que aplica la Xanthomonas para debilitar las defensas de las plantas y descubre una enzima que será útil en el aprovechamiento de residuos agroindustriales

Por Luciana Constantino  |  Agência FAPESP – La bacteria Xanthomonas, causante del chancro cítrico y conocida como una “villana” de la citricultura, puede erigirse como una aliada en la fabricación de productos biorrenovables tales como etanol, pinturas, plásticos y otros tipos de productos químicos actualmente derivados del petróleo.

Un estudio publicado en junio pasado en la revista Nature Communications por un grupo del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM), con sede en la ciudad de Campinas, en Brasil, revela los procesos biológicos que la bacteria aplica para debilitar el sistema de defensas de las plantas. También se descubrió en dicho estudio un nuevo tipo de enzimas (llamado CE20) capaz de potenciar la infección.

De acuerdo con la investigación, apoyada por la FAPESP, esta bacteria moviliza esas enzimas para destruir la pared celular de la planta, que funciona como una especie de barrera contra la entrada de patógenos.

Al invadir las células, las bacterias inducen la producción de proteínas capaces de desencadenar factores que aumentan la virulencia de la contaminación. Entre eles está el “sistema de secreción tipo 3”, una especie de “aguja” molecular que las bacterias insertan en las paredes celulares degradadas de las plantas para inyectar las proteínas de virulencia.

En el estudio se detalla la acción a nivel atómico de múltiples componentes enzimáticos en forma orquestada para desmantelar el xiloglucano, uno de los más complejos hidratos de carbono que otorgan resistencia a la pared celular primaria de las plantas. Este descubrimiento revela una nueva vía de señalización que hace posible la entrada de la bacteria.

“Demostramos la existencia de una maquinaria molecular conservada en esos patógenos, especializada en el xiloglucano. Dilucidamos a nivel bioquímico y estructural la actuación de los componentes enzimáticos de esa maquinaria. El hallazgo de estas nuevas formas de desmontaje de este carbohidrato aporta alternativas de aplicación en la bioeconomía y en biorrefinerías. Podemos obtener nuevas combinaciones de cocteles enzimáticos, más eficaces y capaces de desmontar la biomasa vegetal para elaborar etanol, combustible de aviación y otros productos químicos, por ejemplo”, explica Mario Tyago Murakami, coordinador de la investigación y director científico del Laboratorio Nacional de Productos Biorrenovables (LNBR), que integra el CNPEM.

Este centro desarrolla actualmente otras plataformas microbianas para biorrefinerías, como el cóctel enzimático elaborado por un hongo (RUT-C30). Con patente registrada, esta plataforma adaptada a la realidad brasileña se puso a prueba en un ambiente industrial y vuelve factible el montaje de biorrefinerías destinadas a la obtención de azúcares avanzados con base en residuos agroindustriales, con menor impacto ambiental y en reemplazo de insumos de origen fósil.

Según Murakami, al revelar los nuevos componentes que potencian a infección de la planta, esta investigación también contribuye al desarrollo de estrategias de combate contra el chancro, mediante el diseño de potenciales inhibidores de ese grupo de bacterias.

“Al utilizar el patógeno del chancro cítrico como organismo modelo, demostramos que ese sistema abarca a hidrolasas glucosídicas distintas, transportadores de membrana específicos y un tipo inédito de esterasa. Estos datos bioquímicos y de mecanismos destacan que las bacterias asociadas a plantas se valen de estrategias moleculares sumamente distintas a las que aplican las bacterias intestinales, por ejemplo, para vérselas con xiloglucanos. Juntos, estos descubrimientos echan luz sobre los mecanismos moleculares que sostienen el complejo sistema enzimático de Xanthomonas para despolimerizar hidratos de carbono de la pared celular vegetal y revelan un papel para ese sistema en una vía de señalización para promover la virulencia”, escribe el grupo en el artículo.

Aparte de atacar la citricultura, Xanthomonas arremete contra otros diversos tipos de plantaciones: arroz, algodón y bananos. El chancro cítrico, considerado una de las más importantes enfermedades en la citricultura mundial, provoca lesiones marrones, salientes y ásperas en los frutos. Termina provocando la caída prematura de las hojas y de los frutos, menguando la productividad de las plantas afectadas.

El año pasado, el chancro cítrico registrado en el cinturón de São Paulo y de Triângulo/Sudoeste Mineiro, uno de los mayores productores de naranjas de Brasil, creció un 15 % con relación a 2019. La enfermedad afectó a alrededor de 34 millones de plantas, según un estudio del Fondo de Defensa de la Citricultura (Fundecitrus), que apuntó entre los factores de este incremento la decisión de São Paulo de permitir el mantenimiento de árboles sintomáticos en los naranjales.

En la cosecha 2020-2021, la entidad ha registrado la pérdida de 1.270.000 cajas del fruto (de alrededor de 40 kg cada una) como consecuencia de la enfermedad.

Aplicar la ciencia

Para llevar a cabo la investigación, el grupo implementó un abordaje multidisciplinario, que incluía análisis filogenéticos y transcriptómica, bloqueo génico, clonación molecular y mutagénesis, aparte de experimentos con luz sincrotrón: dispersión y difracción de rayos X.

Los datos de difracción se recabaron en la línea de luz de cristalografía de macromoléculas MX2 de la antigua fuente de luz sincrotrón del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS-CNPEM). Se aplicaron también técnicas de ingeniería genética y experimentos in vivo en plantas en el Laboratorio Nacional de Biociencias (LNBio).

Este estudio se extendió durante alrededor de cinco años y contó con el trabajo de 23 investigadores, incluidos docentes de la Universidad de São Paulo (USP) y de la Universidad de Campinas (Unicamp).

“No es común contar en Brasil con un conjunto de tesis doctorales y proyectos posdoctorales con una mirada sistemática dirigida hacia el mismo problema. Esta modalidad de trabajo en equipo y compartido colectivamente ha marcado la gran diferencia en nuestras investigaciones, incrementando la capacidad de obtención resultados y el impacto de los descubrimientos”, dice Murakami, en entrevista concedida a Agência FAPESP.

Otro estudio del equipo con el sistema enzimático de Xanthomonas para el desmontaje de la pared celular vegetal salió publicado también en Nature Communications en el mes de enero. Mediante cálculos cuánticos y experimentos en alta resolución, el mismo demostró que enzimas de gran importancia industrial (como las hidrolasas glucosídicas) pueden funcionar a través de itinerarios catalíticos alternativos y factibles desde el punto de vista termodinámico.

Este trabajo rompió con el paradigma de que el itinerario catalítico (el conjunto de modificaciones químicas y estructurales que sufre un determinado sustrato debido a la acción de una enzima) era único por cada par enzima-sustrato.

Esta línea de estudio sigue adelante en Manacá, primera estación de investigación del Sirius abierta a la comunidad científica y a empresas interesadas en investigar la composición y la estructura de la materia en sus diversas formas y con aplicaciones en distintas áreas del conocimiento.

Sirius, ligado al CNPEM, es un acelerador de electrones de última generación, proyectado para erigirse como una de las más avanzadas fuentes de luz sincrotrón del mundo en su categoría. “En Sirius salimos de las imágenes y las estadísticas para analizar eventos dinámicos en videos de los procesos catalíticos de las enzimas descubiertas en este estudio”, afirma Murakami.

La investigación con la bacteria Xanthomonas contó con el apoyo de la FAPESP en el marco de dos Proyectos Temáticos (15/26982-0 y 15/13684-0), cuatro Becas de Posdoctorado (16/06509-0, 17/14253-9, 16/19995-0 y 19/13936-0) y dos Becas de Doctorado (17/00203-0 y 18/03724-3).

Puede leerse el artículo intitulado Xyloglucan processing machinery in Xanthomonas pathogens and its role in the transcriptional activation of virulence factors en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41467-021-24277-4.