por Un tipo de química recientemente descrito en los hongos es sorprendentemente común y es probable que involucre enzimas altamente reactivas, dos rasgos que hacen que los genes se involucren en señales útiles que apuntan a una riqueza potencial de compuestos biológicos con aplicaciones médicas y químicas.
Los científicos apenas lo han visto hasta ahora.
Durante los últimos 15 años, la búsqueda de moléculas de organismos vivos, muchas de ellas prometedoras como fármacos, agentes antimicrobianos, catalizadores químicos e incluso aditivos alimentarios, se ha basado en algoritmos informáticos entrenados para buscar en el ADN de bacterias, hongos y plantas genes que producen enzimas conocidas por impulsar procesos biológicos que dan como resultado compuestos interesantes.
«El campo chocó contra una pared a principios de la década de 2000, cuando el proceso de descubrimiento consistía en tomar cosas de los hongos y ver qué hacían esos extractos. Pero seguimos descubriendo las mismas cosas», dijo Grant Nickles, estudiante de posgrado en el laboratorio de Nancy Keller, profesora de microbiología médica e inmunología. «A medida que aprendimos más sobre los genes que hacen que estos productos naturales geniales, diseñamos algoritmos que podrían buscarlos, encontrar objetivos y hacer que el proceso sea más eficiente».
Ese método también chocó con una especie de muro porque los algoritmos solo tenían ojos para ciertos tipos de genes.
«Los algoritmos básicos desarrollados para encontrar productos naturales funcionan muy bien, pero se centran en los genes asociados con las tres enzimas canónicas de la columna vertebral», dijo Keller. «Ha habido mejoras incrementales en esos algoritmos, pero solo puedes buscar los mismos genes en los mismos genomas tantas veces antes de que, nuevamente, redescubras las mismas cosas».
En 2005, una comunidad de investigadores secuenció el genoma de Aspergillus fumigatusun hongo que puede infectar a las personas con sistemas inmunológicos comprometidos.
«La primera secuencia me erizó el vello de los brazos», dijo Keller. «Hay tantos grupos de genes del tipo que hacen estas enzimas de la columna vertebral que producen metabolitos secundarios interesantes. Dije: ‘¡Oh! Hay muchos más productos naturales en los hongos de lo que jamás habíamos imaginado'».
En una investigación posterior, el laboratorio de Keller descubrió al menos un grupo de genes involucrados en procesos bioquímicos que se basan en una enzima principal llamada isocianuro sintasa, que no es una de las tres enzimas «canónicas» conocidas como caballos de batalla químicos comunes en bacterias y hongos.
Este mes, Nickles, Keller y colaboradores publicaron un nuevo estudio en la revista Investigación sobre ácidos nucleicos donde describen un nuevo algoritmo que crearon para buscar en los genomas fúngicos grupos de genes, llamados grupos de genes biosintéticos, que sintetizan isocianuro para hacer su trabajo.
«Ejecuté el nuevo algoritmo en cada genoma fúngico que pude encontrar en Internet (alrededor de 3300 especies) y descubrí que es la quinta clase más grande de productos naturales producidos por hongos», dijo Nickles. «Y era casi completamente invisible antes de este estudio».
Más de 1300 especies de hongos tienen grupos de genes centrados en la química del isocianuro.
«Es poco probable que estos grupos de genes hagan algo útil para el hongo, o es difícil explicar por qué estos genes son tan comunes y se conservan en los genomas de tantas especies», dijo Milton Drott, coautor del nuevo estudio y ex miembro del laboratorio de Keller que ahora trabaja como patólogo de plantas en el Laboratorio de Enfermedades de Cereales del Departamento de Agricultura de EE. UU. «Lo que hemos creado es un atlas de esos grupos de genes. Puede comenzar a ver patrones interesantes allí que apuntan a dónde buscar funciones importantes primero».
En lo alto de la lista de Keller hay grupos donde se sabe que los genes circundantes adaptan las enzimas para diferentes propósitos o las llevan a ubicaciones específicas o genes «promotores» que activan o desactivan el interruptor para la producción de enzimas según las condiciones en sus células.
«Estamos buscando la singularidad», dijo Keller, cuyo trabajo cuenta con el apoyo de los Institutos Nacionales de la Salud y quien cofundó una empresa, Terra Bioforge, que fabrica productos naturales beneficiosos descubiertos en los microbios. «Las combinaciones únicas de genes miembros en un grupo pueden decirnos algo sobre la actividad de la estructura. Pero mi esperanza es que no seamos los únicos en buscar».
Los investigadores enumeraron sus hallazgos de hongos en un sitio web de búsqueda creado por el coautor Brandon Oestereicher, lo que significa que muchos otros laboratorios no tuvieron que realizar búsquedas algorítmicas, un proceso intensivo en recursos que requirió la ayuda del Centro de Computación de Alto Rendimiento de UW-Madison.
«Los laboratorios que tienen una especie de hongo favorita (es inusual para las personas en nuestro campo que se concentren en una especie o en un rango reducido de especies) pueden ver sus especies en el sitio web y obtener suficiente información sobre los grupos de genes para comenzar su propio trabajo con los isocianuros», dijo Drott.
Esa investigación puede revelar compuestos naturales de gran beneficio para la sociedad (fármacos antibacterianos, pesticidas, nuevos catalizadores para la química industrial y farmacéutica), pero aún se desconocen los productos y propósitos de esta nueva química biológica. El laboratorio de Drott estudia miembros del género fúngico fusarium que causa tizón en granos como la cebada y el trigo. También tienen grupos de genes biosintéticos de isocianuro.
«Esto es emocionante para nuestro trabajo, porque estos grupos de genes pueden desempeñar un papel en esa patogenicidad y pueden proporcionar una forma de controlar el patógeno», dijo Drott. «Sabemos tan poco sobre lo que pueden hacer los isocianuros, que simplemente no sabemos qué encontraremos. Al menos ahora sabemos por dónde empezar a buscar».
Esta investigación fue apoyada por subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud (2R01GM112739-05A1 y T32 GM135066), la Fundación Nacional de Ciencias (Beca de Investigación para Graduados 2137424) y el Departamento de Agricultura de EE. UU.
