Investigar cómo crece el pimiento

¿Cómo producen las plantas sustancias picantes? El Instituto Leibniz de Bioquímica Vegetal (IPB) trabaja intensamente en este tema. Recientemente, científicos dirigidos por el Dr. Thomas Vogt han encontrado la enzima decisiva que ayuda a los frutos de la planta de la pimienta (lat. Piper nigrum) a conseguir su característico picor. La enzima descubierta, la piperina sintasa, cataliza el último paso en la biosíntesis de la picante piperina. Ahora los bioquímicos han seguido con una segunda sustancia picante y también han arrojado más luz sobre la biosíntesis de la capsaicina del pimiento picante (Capsicum spec.). Por primera vez, su grupo de trabajo describe la actividad enzimática de la capsaicina sintasa, largamente buscada. La enzima cataliza el último paso de la reacción en la producción de capsaicina vegetal.

La piperina y la capsaicina se unen en la lengua y las mucosas exactamente al mismo receptor que reacciona al calor, los ácidos o las lesiones. Este receptor desencadena un estímulo en determinadas células nerviosas que el ser humano percibe como picante. La capsaicina y la piperina también tienen un efecto antimicrobiano y favorecen la digestión y la circulación sanguínea. Por lo tanto, no sólo son interesantes como pungentes, sino también como principios activos para aplicaciones médicas. "En la literatura de los últimos años se pueden encontrar cientos de estudios sobre el efecto biológico de los extractos de pimienta y guindilla, pero muy pocos sobre la biosíntesis de las sustancias picantes", explica Thomas Vogt, que dirige el grupo de trabajo sobre Metabolismo del Fenilpropano en el IPB.

Esto puede deberse al hecho de que la elucidación de las vías biosintéticas de las plantas requiere una experiencia diferente, que sólo está disponible en esta combinación en unos pocos institutos de investigación. En el mejor de los casos, químicos, bioquímicos y bioinformáticos se reúnen para pescar entre los cientos de enzimas de una planta el puñado de candidatos que intervienen en la producción de una sustancia buscada. Esta búsqueda de enzimas individuales es especialmente difícil en aquellas especies vegetales de las que aún se desconocen la mayoría de los genes y enzimas. "Porque aquí", dice Thomas Vogt, "sólo se pueden consultar las bases de datos hasta cierto punto".

También en el caso de la pimienta, la situación de los datos era escasa y había más obstáculos. Por ejemplo, los científicos de Halle primero tuvieron que cultivar plantas de pimiento y, sobre todo, asegurarse de que dieran fruto. "Eso no se da con la pimienta, que crece en invernadero", explica el bioquímico, "pero los jardineros del instituto lo consiguieron". Tras cultivar con éxito las plantas, el equipo de investigación pudo cosechar bayas de pimiento en distintas fases de maduración durante un periodo de tres meses, y aquí pudieron observar de cerca cómo su contenido en piperina aumentaba de forma constante. Según la teoría de los científicos, las bayas maduras también deberían contener las enzimas que producen la piperina. En cambio, las hojas de la planta no deben contener las enzimas de biosíntesis de la piperina, porque no producen piperina y, por tanto, no saben picantes.

Los científicos aprovecharon estas diferencias en el contenido de piperina, es decir, en presencia y ausencia de las enzimas de biosíntesis de la piperina. Bajo la premisa de que una enzima sólo está presente en determinados tejidos cuando su gen se activa y se lee, compararon las actividades génicas en hojas y frutos de distintos grados de madurez. De este modo, pudieron identificar los genes que son especialmente activos en los frutos inmaduros. Entre ellos se encontraba el gen de la piperina sintasa. A continuación, este gen se introdujo en microorganismos y sirvió de molde para que las bacterias produjeran la enzima piperina sintasa. Los expertos en pimienta de Halle pudieron demostrar entonces sin lugar a dudas que la enzima aislada cataliza la fusión de las dos sustancias de partida, la piperoil-CoA y la piperidina, para formar piperina. Así se demostró que se trataba de la piperina sintasa que buscaban.

El descubrimiento de la capsaicina sintasa planteó otros problemas. En este caso, el gen codificante ya había sido identificado, pero la ciencia nunca antes había logrado que se produjera una proteína enzimáticamente activa a partir de él en bacterias. Por lo tanto, aún no se había demostrado que el gen investigado fuera la capsaicina sintasa. Pero con su conocimiento experto de la enzima relativamente similar de la pimienta, los investigadores de plantas de Halle fueron capaces de aislar la capsaicina sintasa y demostrar en la prueba final de actividad que realmente cataliza la reacción largamente postulada de las dos sustancias de partida, 8-metil-6-nonenoil-CoA y vaniloilamina, a capsaicina. Esta prueba final de actividad de la piperina y la capsaicina sintasa se logró en parte porque los químicos de síntesis del Instituto pudieron producir ellos mismos todos los materiales de partida, que aún no se pueden comprar, y ponerlos a disposición de las pruebas enzimáticas.

De este modo, se han dilucidado los pasos de reacción más importantes de la biosíntesis de la piperina y la biosíntesis de la capsaicina. En algún momento se comprenderán plenamente ambas vías biosintéticas. Pero, ¿cuál es el beneficio de este conocimiento? Con el conocimiento de todas las enzimas que intervienen en una biosíntesis, se pueden introducir los genes correspondientes en microorganismos y dejar que produzcan la sustancia activa deseada. "En el caso de la pimienta, sin embargo, esto no sería económico", dice Thomas Vogt, "porque la piperina está presente en las bayas de pimienta en concentraciones tan altas que podría aislarse muy fácilmente, por ejemplo con fines medicinales."

Para los científicos del IPB, la elucidación de las vías biosintéticas merece la pena, porque las enzimas recién descubiertas catalizan reacciones interesantes que dan lugar a productos de reacción con estructuras complicadas. Estas enzimas pueden ser modificadas por bioquímicos para producir enzimas completamente nuevas con las propiedades deseadas. A continuación, las enzimas optimizadas se utilizan para diseñar síntesis de nuevas sustancias potencialmente eficaces en el tubo de ensayo. Este tipo de síntesis biocatalítica -es decir, la imitación y optimización de la biosíntesis vegetal original en el tubo de ensayo- tiene un enorme potencial de futuro como campo de investigación relativamente joven. Como alternativa a las síntesis petroquímicas, la biocatálisis puede producir las sustancias deseadas sin utilizar catalizadores y disolventes tóxicos ni generar subproductos nocivos.

Antecedentes: Biosíntesis y enzimas
Las enzimas son proteínas que se encuentran en todos los seres vivos y en todas las células. Todas las reacciones del organismo en las que una sustancia se transforma en otra (metabolismo) están catalizadas por una enzima. Hay miles de reacciones metabólicas en cada organismo y, en consecuencia, otras tantas enzimas diferentes. Varias reacciones individuales sucesivas forman rutas metabólicas o biosintéticas separadas que conducen a muchos productos finales diferentes. Las plantas son superiores a los animales en su capacidad para producir un amplio espectro de sustancias complejas. Por eso tienen muchas más enzimas que los organismos animales. El ser humano lleva miles de años utilizando enzimas, por ejemplo para producir pan, chucrut, alcohol y queso.