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Biología

La proteína de la hibernación

Las plantas y los animales tienen mecanismos similares de resistencia al frío

Cuestionando conceptos preestablecidos, el médico Aníbal Vercesi, de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), se sumergió en la bioquímica y descubrió en las plantas un tipo de proteína que se creía que pertenecían solo a los animales. Su trabajo puede abrir el camino para el cultivo de plantas tropicales transgénicas resistentes al frío, ya que en los animales, la proteína desacopladora o UcP (uncoupling protein) está ligada a la hibernación -el sueño letárgico en el que éstos sobreviven a temperaturas muy bajas. Es por causa de la UcP que el oso polar consigue mantener su temperatura corporal cercana a los 37 grados Celsius (°C) mientras hiberna. Ratones mantenidos entre una y dos semanas a temperaturas de entre 5°C y 10°C también aumentan la producción de esa proteína.

La UcP es producida en el tejido adiposo marrón, grasa que los mamíferos tienen en el dorso del cuello al nacer y que, en su mayoría -incluso en el ser humano- desaparece poco a poco. En la década del 70, se descubrió que la función de la UcP es producir calor (termogénesis) y se concluyó que sería una adquisición evolutiva de los mamíferos como forma de adaptación al frío.

En el comienzo de los años 90, al estudiar la respiración y la conversión de energía en células vegetales, Vercesi encontró semejanzas entre la respiración celular de la papa y el tejido adiposo marrón de los mamíferos. “Como la papa es originaria de los Andes, y por tanto adaptada al frío, imaginé que fuera una especie de oso de los vegetales”, cuenta el investigador. Su hallazgo contrariaba conocimientos sedimentados, pero Vercesi confirmó que el vegetal contenía una proteína igual a la UcP. Después, el grupo de la Unicamp identificó la proteína en el tomate, el maíz, la banana, el mango, el ananá (piña), el durazno (melocotón), la naranja, la papaya, la manzana, el aguacate (palta) y la fresa (frutilla).

Escepticismo
Con la colaboración de Hernan Chaimovich y Iolanda Cuccovia, del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP), la proteína vegetal fue testeada in vitro y funcionó de manera similar a la UcP. El equipo decidió enviar un trabajo a la revista Nature, que le dedicó una página en1995, pero el escepticismo era grande. “En los congresos de fisiología de plantas, me invitaban a participar fundamentalmente para criticarme”, recuerda Vercesi.

Finalmente, el aislamiento en plantas de genes que codifican a proteína desacopladora -realizado porel Centro de Biología Molecular e Ingeniería Genética (CBMEG) de la Unicamp- confirmó la teoría. En los últimos años, investigadores japoneses identificaron la proteína en el arroz, alemanes la encontraron en la flor de la papa y los australianos en frutas. Actualmente, los genomas sequenciados de vegetales convalidan la existencia de la proteína, llamada Pump, sigla de plant uncoupling mitochondrial protein, proteína desacopladora mitocondrial de las plantas.

Es desacopladora debido a su capacidad de disociar dos procesos celulares: la respiración y la fosforilación oxidativa, que es la formación de moléculas de ATP (adenosín trifosfato), forma de energía química de la célula. El ATP proviene de la oxidación, proceso que ocurre dentro de la mitocondria, organela celular que funciona como estación conversora de energía.

Una aplicación potencial de la Pump está en el control de la maduración de frutas, lo que reduciría pérdidas. Otra es la producción de plantas alteradas genéticamente para resistir a las bajas temperaturas. El equipo del CBMEG ya ha logrado producir variedades transgénicas de tabaco (Nicotiana tabaqum) que superexpresan la Pump y crecen más rápidamente que las plantas normales.Vercesi estudia el papel de la Pump en frutos como el tomate, fruta en la que se pueden ilustrar fácilmente, debido a su color, los pasos de la maduración. En cada paso, se aisló la Pump y se comprobó que su actividad aumenta a medida que el tomate madura. “Parece que la explosión en el consumo de oxígeno que ocurre en una fase de la maduración coincide con el aumento de la expresión de la proteína”, dice Vercesi.

Este estudio mostró que, como la UcP de los animales, la Pump necesita ácidos grasos libres para activarse. Mientras el animal hiberna, además de suministrarle a éste los substratos para su respiración, los ácidos grasos activan la UcP. “Por eso el oso engorda en la primavera y en el verano”, dice Vercesi. “Precisa una reserva de grasa, que será consumida para generar calor en el invierno”. Con el tomate no fue diferente: cuando se le adicionó albúmina de suero bovino (BSA) para reducir el stock de ácidos grasos libres, la albúmina funcionó como inhibidora de la Pump.

El grupo descubrió formas diferentes de la Pump, así como ya se han se identificado cinco variantes de la UcP animal: la UcP1, la UcP2 constatada en el tejido adiposo blanco, la UcP3 en el tejido muscular y las UcPs 4 y 5 en el cerebro. En lugar de desencadenar la termogénesis, las variantes tendrían papeles reguladores.

Gordos y flacos
“La UcP2 del tejido adiposo blanco explicaría por qué dos personas con la misma ingestión calórica engordan en proporciones muy diferentes”, comenta Vercesi. “La persona que engorda menos expresa más la proteína.”

A través de comparaciones, facilitadas por el secuenciamiento de genomas vegetales, ahora se sabe que pueden existir por lo menos cuatro tipos de Pump. El equipo de la Unicamp descubrió tres de ellas en la caña de azúcar, una de ellas similar a la UcP4 del cerebro. Y aparecen en cantidades diferentes en los órganos de la caña y en edades distintas de cada órgano, una señal de que ejercen papeles importantes en el desarrollo. “Los estudios indican que la Pump no es funcionalmentesemejante a la UcP1, responsable por la termogénesis”, cuenta Vercesi. “La Pump tendría más semejanzas con las variantes 2 y 4 y su función primordial seria promover una regulación del metabolismo energético.”

En los animales, la UcP1 activada por el frío hace que la respiración celular se torne 50 veces más rápida y promueve la quema acelerada de grasas. En las Pumps pueden no tener una actividad tan grande. “Las papas mantenidas en cámaras frías presentaron un incremento en su respiración celular, sin un aumento significativo de temperatura”, relata el investigador. Una de las hipótesis es que la Pump estimularía la respiración, disminuyendo la concentración de oxígeno y, por lo tanto, promoviendo una defensa contra el estrés oxidativo.

El equipo de la Unicamp está probando la resistencia al estrés oxidativo en plantas de tabaco alteradas genéticamente, que superexpresan la Pump. Se expusieron hojas normales y transgénicas a diferentes concentraciones de peróxido de hidrógeno (H2O2) o agua oxigenada. Las transgénicas se muestran más resistentes a esa agresión, pues tienen tasas menores de degradación de clorofila y mantienen el color por más tiempo. Los organismos solo sobreviven cuando vencen en la lucha contra el estrés oxidativo. Una de las principales funciones del fruto es permitir la transmisión del genoma a la generación subsecuente, pero el ADN -ácido desoxirribonucleico, portador del código genético- es sensible al estrés oxidativo. “Durante la maduración y la senescencia, la proteína desacopladora sería importante para impedir la formación de radicales libres y preservar la información genética intacta”, dice Vercesi.

Ése sería uno de los mecanismos celulares de defensa contra las sustancias tales como el calcio, que estimulan la generación de especies reactivas de oxígeno. Tal poder antioxidante podría ser manipulado para transformar a las proteínas desacopladoras en conservantes naturales de los alimentos o futuros agentes en el combate contra las enfermedades degenerativas.

EL PROYECTO
Metabolismo del Oxígeno y del Calcio y sus Relaciones con la Vida y la Muerte Celular
Modalidad
Proyecto temático
Coordinador
Aníbal Eugênio Vercesi – Faqultad de Ciencias Médicas de la Unicamp
Inversiones
R$ 217.377,05 más US$ 366.158,88

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