Identifican una nueva ruta de formación de pigmentos carotenoides en bacterias

Un reciente estudio de investigación desarrollado en el Centro Andaluz de Biología del Desarrollo (CABD) y liderado por Elena Rivas, del Departamento de Biología Molecular e Ingeniería Bioquímica en la Universidad Pablo de Olavide (UPO), y por Damien Devos (CSIC), identifica que el escualeno, tradicionalmente asociado con la biosíntesis de compuestos como el colesterol, y crucial para la aparición de organismos eucariotas, es el precursor de los carotenoides C30 en una gran cantidad de bacterias.

Los carotenoides son pigmentos naturales del grupo de los isoprenoides o terpenos, lípidos presentes en organismos procariotas y eucariotas. Son sintetizados por todas las plantas, además de algunos hongos y bacterias, y son importantes en la fotosíntesis, en la dinámica de las membranas celulares y en la adaptación al estrés oxidativo (efecto antioxidante). Como pigmentos, son responsables de la coloración amarilla, naranja y roja de muchos frutos y vegetales, atrayendo a los animales para que mediante su consumo contribuyan a la dispersión de las semillas. Algunos de ellos son también valiosos como nutrientes, caso del beta-caroteno que se transforma en vitamina A una vez que lo ingerimos. Estas propiedades les han conferido un importante papel en la evolución, además de ser ampliamente utilizados por la industria farmacéutica y alimentaria.

Damien P. Devos, Elena Rivas-Marín, Valentina Henriques y Dámaso Hornero-Méndez / CABD

La gran mayoría de los carotenoides presentan una estructura con 40 átomos de carbono (C40), pero también existen carotenoides con menor (C30) o mayor (C50) número de átomos de carbono, y su biosíntesis es realizada por rutas similares. La investigación desarrollada en el CABD –centro mixto de la Universidad Pablo de Olavide, el CSIC y la Junta de Andalucía– y publicada en la revista PNAS, ha identificado el escualeno como precursor de carotenoides C30 en bacterias, cambiando la visión tradicional de su biosíntesis a partir del precursor diapofitoeno y estableciendo que la ruta de producción predominante entre bacterias tiene como precursor el escualeno, que hasta el momento se asociaba exclusivamente con la biosíntesis de esteroles y hopanoides, compuesto este último que realiza una función similar al colesterol en procariotas.

Investigando en bacterias la producción de esteroles y su síntesis, fundamental en la eucariogénesis, el hallazgo se produjo al combinar el estudio con mutaciones al azar en la bacteria Planctomycete Planctopirus limnophila, tal como explica Elena Rivas. “Como resultado se obtuvieron algunas células mutantes sin pigmentación. La curiosidad nos llevó a mapear las mutaciones en el genoma, y al ver donde se localizaban dichas mutaciones, ¡voilá! las mutaciones se localizaron en los genes de la ruta de síntesis de escualeno”.

Células de P. limnophila mutantes cuyos colores son el resultado de mutaciones en los distintos genes de la ruta de biosíntesis de carotenoides. / Elena Rivas-Marin

Damien Devos destaca que “los resultados obtenidos en este estudio abren la puerta para entender e identificar las relaciones entre las distintas rutas biosintéticas de carotenoides, así como a ser utilizados como biomarcadores del tiempo geológico y de las adaptaciones oxidativas del medio gracias a su capacidad de preservarse en los fósiles”.

El estudio ha evidenciado asimismo la presencia de una serie de carotenoides rojos inusuales, que presentan en sus estructuras grupos con funcionalidad de ácido carboxílico (ácidos carotenoicos) en la estirpe del estudio (P. limnophila). Estos ácidos carotenoicos tienen mayor polaridad y solubilidad en agua que los carotenoides comunes, planteando la posibilidad de nuevas aplicaciones industriales y farmacéuticas para estas moléculas.

La investigación ha contado con la colaboración de Dámaso Hornero-Méndez, del Instituto de la Grasa (CSIC), siendo Carlos Santana-Molina el primer autor del artículo, quien desarrolló su tesis doctoral en la UPO y actualmente se encuentra en su etapa posdoctoral en Holanda.

Referencia bibliográfica:

Santana-Molina, C., Henriques, V., Hornero-Méndez, D., Devos, D. P. & Rivas-Marin, E. (2022). The squalene route to C30 carotenoid biosynthesis and the origins of carotenoid biosynthetic pathways. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(52). https://doi.org/10.1073/pnas.2210081119