El reto global de la sequía
Según las naciones unidas (FAO), actualmente la sequía es el estrés que tiene un mayor impacto sobre la agricultura. De hecho, los recientes episodios de sequía han tenido un coste estimado de 37 billones de dólares anuales para el sector. Además, el cambio climático está provocando una intensificación de los episodios de sequía en muchas regiones del planeta, poniendo en peligro la seguridad alimentaria. Esto se debe, en parte, a que el 80% del área cultivada del planeta, en la que se produce el 65% del alimento a nivel mundial, es de secano. Es decir, depende exclusivamente del agua de lluvia. Frente a este desafío, uno de los grandes objetivos de la biotecnología agrícola es aumentar la resiliencia de los cultivos a la escasez hídrica.
En este contexto, la biología química (del inglés, chemical biology) ha emergido como una alternativa complementaria a las aproximaciones genéticas. Esta disciplina estudia la biología utilizando moléculas químicas, a través del diseño de pequeñas moléculas que modulan de forma reversible procesos fisiológicos de interés agronómico. Su aplicación en plantas abre la puerta al desarrollo de tratamientos no transgénicos, transitorios, específicos, y escalables, capaces de mejorar el rendimiento de los cultivos en condiciones de estrés. Estamos, en definitiva, ante una nueva aplicación del descubrimiento de fármacos, esta vez no orientado a humanos, sino a plantas.
El descubrimiento de fármacos como disciplina
El desarrollo de fármacos es un proceso complejo y multidisciplinar. Aunque su aplicación más conocida es la medicina humana, sus principios son extrapolables a otros sistemas biológicos. Todo comienza con la identificación de una diana molecular, normalmente una proteína, que está involucrada en una enfermedad y cuya modulación se espera que tenga un efecto fisiológico beneficioso o terapéutico (Figura 1). Posteriormente, se realiza una fase de descubrimiento, que incluye rastreos de colecciones de compuestos químicos, ya sea de forma experimental o computacional, para encontrar moléculas que actúen sobre esa diana, modulando su función (Figura 1). Una vez identificados estos compuestros, se inicia la fase de optimización, donde se modifican las estructuras iniciales para mejorar sus propiedades, tales como su potencia, selectividad, estabilidad, y solubilidad entre otras. Una vez obtenidos los candidatos más prometedores, se procede a una fase de validación en modelos biológicos, que incluyen organismos modelo y, eventualmente, ensayos clínicos para la biomedicina o ensayos de campo para la agricultura. Finalmente, si los resultados son positivos, se procede con las fases de desarrollo regulatorio, formulación, producción a gran escala y comercialización.
Diagrama esquemático del proceso de descubrimiento de fármacos incluyendo sus diferentes fases: 1) Identificación de la diana, 2) búsqueda de compuestos, 3) optimización, 4) validación funcional.
Queda de manifiesto que cada fase del descubrimiento de fármacos demanda una combinación específica de disciplinas: la identificación de dianas aúna bioquímica, biología molecular y genética funcional; los cribados químicos iniciales dependen de la farmacología, las librerias de compuestos químicos y la automatización de alto rendimiento; la fase de optimización implica química médica, síntesis orgánica, modelado computacional y biología estructural; y la validación funcional requiere la fisiología, la genética, la biología celular, y experiencia en organismos modelo. La sinergia entre todas estas áreas es lo que hace posible el desarrollo de un producto aplicable y eficaz.
Un aspecto clave de todo este proceso es la identificación de la diana. Sin una buena comprensión del sistema biológico y sin una diana validada, el descubrimiento de fármacos se convierte en una tarea con pocas posibilidades de éxito. La selección de dianas requiere un amplio conocimiento sobre el proceso «a solucionar», así como la integración de datos bioquímicos, genéticos y funcionales. En muchos casos, la identificación de la diana es la parte más crítica y menos visible del proceso de descubrimiento de fármacos, pero de la que depende su éxito.
La señalización del ácido abscísico como diana farmacológica
El ácido abscísico (ABA) es una fitohormona esencial en la respuesta de las plantas a la sequía. Cuando la disponibilidad de agua disminuye, los niveles de ABA aumentan, activando respuestas fisiológicas como la reducción del uso del agua, la producción de metabolitos protectores y el crecimiento de las raíces, entre muchas otras. Existen multitud de trabajos científicos demostrando que la activación de la señalización de ABA activa la resistencia a la sequía de manera eficaz.
La señalización del ABA se inicia con la unión a sus receptores, que son un conjunto de proteínas denominadas PYR/PYL que presentan una cavidad con afinidad por el ABA. Al unir ABA, estos receptores interaccionan con otras proteínas, las fosfatasas tipo 2C (PP2C), que normalmente suprimen la activación de la ruta de señalización. Esta interacción conlleva a la inhibición de la actividad de las PP2Cs, que resulta en la activación de las respuestas fisiológicas de adaptación a la sequía, ya que permite que las proteínas kinasas SnRK2 fosforilen elementos de señalización clave para activar este proceso (Figura 2).
Esquema de la ruta de señalización del ABA. Los receptores al unir ABA inhiben las proteínas PP2C permitiendo la activación de la adaptación al estrés mediante la fosforilación de las SnRK2s.
El descubrimiento de los receptores de ABA ha sido una de las grandes historias de éxito de la biología química en plantas. Pese a que multitud de grupos habían trabajado en su identificación siguiendo aproximaciones genéticas o bioquímicas de manera fallida, en 2009 se publicó un rastreo químico realizado por el grupo de Sean Cutler en la Universidad de California, Riverside, que condujo al descubrimiento de los receptores de ABA.
En este trabajo, llevaron a cabo un rastreo de diferentes colecciones de compuestos químicos, identificando pyrabactina como una molécula capaz de inhibir la germinación de las semillas. Además, encontraron que aquellos mutantes en genes clave de la señalización de ABA conocidos hasta la fecha eran insensibles al tratamiento con pyrabactina, indicando que esta molécula química actuaba sobre una proteína clave en esta ruta de señalización. Experimentos bioquímicos, genéticos y estructurales, permitieron caracterizar la unión de pyrabactina a unas nuevas proteínas, los receptores de ABA PYR/PYL.
La validación funcional de estos receptores se ha visto reforzada por multitud de estudios incluyendo cultivos como arroz, tomate y trigo, donde su sobreexpresión ha resultado en una mayor tolerancia a la sequía. En arroz, por ejemplo, se ha demostrado que la sobreexpresión de receptores como OsPYL3 y OsPYL5 mejora significativamente la eficiencia en el uso del agua y aumenta la supervivencia de las plantas bajo condiciones de riego deficiente. En tomate, la sobreexpresión de SlPYL9 ha resultado en plantas más resistentes al estrés hídrico, con mejor rendimiento en condiciones de sequía. En trigo, estudios recientes han demostrado que líneas transgénicas que sobreexpresan receptores de ABA muestran mayor eficiencia en el uso del agua y una recuperación más rápida tras periodos de estrés. Estos resultados no solo demuestran el papel central de los receptores de ABA en la fisiología vegetal, sino que también los validan como posibles dianas para el desarrollo de fármacos contra la sequía.
Además de la información genética, gracias a estudios estructurales mediante cristalografía de rayos X y otras técnicas, se ha desvelado la arquitectura de los receptores PYR/PYL y los detalles atómicos de su unión con el ABA. El ABA se une en una cavidad hidrofóbica, formando interacciones con residuos clave del receptor. La unión de ABA provoca un cambio de conformación en la proteína, permitiendo su interacción con las PP2C y la formación de un complejo ternario (receptor-ABA-PP2C) muy estable. A su vez, el cambio de conformación acerca una parte del receptor al sitio activo de la PP2C, inactivando su función.
La extensa información disponible, tanto a nivel genético como fisiológico y estructural, justifican la selección de los receptores de ABA como una diana para el descubrimiento de moléculas que activen la resistencia a la sequía.
Agonistas de los receptores de ABA: del descubrimiento a la aplicación
El descubrimiento de la pyrabactina como una molécula sintética que se une y activa los receptores de ABA fue un hallazgo clave que abrió las puertas al uso de los receptores de ABA como dianas para el descubrimiento de pequeñas moléculas que activen la resistencia a la sequía. En los años siguientes a su descubrimiento, un cribado químico usando los receptores de ABA como dianas condujo a la identificación de quinabactina, el primer agonista sintético que mostraba actividad sobre múltiples receptores de ABA (Figura 3A). Además, la quinabactina demostró ser capaz de promover el cierre estomático y mejorar la tolerancia a la sequía en diversas especies vegetales. A diferencia del ABA natural, los agonistas sintéticos presentan ventajas como una mayor estabilidad química, menor coste de producción y la posibilidad de diseñar moléculas selectivas para ciertos receptores. Esto permite aplicaciones específicas sin necesidad de modificar genéticamente las plantas, una ventaja regulatoria y social significativa.
(A)Estructura de los agonistas de los receptores de ABA pyrabactina, quinabactina y opabactina. (B) Protección a la sequía mediante la combinación CsPYL15m – iSB09 en Arabidopsis thaliana. Plantas tratadas con iSB09 que expresan el receptor CsPYL15m resisten la sequía más que las plantas control.
El descubrimiento de la pyrabactina y posteriormente de la quinabactina despertó el interés de la industria, y la empresa Syngenta desarrolló cientos de derivados tratando de mejorar su estabilidad y su eficacia.
En paralelo, Bayer desarrolló una estrategia de rastreo químico masivo basada en ensayos in vitro usando receptores de trigo. Para ello, usaron un sistema de rastreo automatizado de alto rendimiento y una colección de 3,6 millones de compuestos químicos. A partir de estos estudios se descubrieron agonistas con nuevas características químicas, que fueron el punto de partida para la síntesis de numerosos derivados con diferentes perfiles de actividad.
Unos años más tarde, un grupo académico empleó un enfoque de rastreo químico computacional y diseño racional para identificar una nueva clase de agonistas de los receptores de ABA con propiedades mejoradas. El resultado fue opabactina, una molécula con alta afinidad por los receptores de ABA y notable actividad in vivo (Figura 3A). Su diseño se basó en modelos estructurales de los receptores PYR/PYL y su optimización incluyó estudios de docking, química médica y ensayos fisiológicos en planta. Opabactina mostró una potente inducción de respuestas de cierre estomático y expresión génica asociada al estrés hídrico, siendo más eficaz que el propio ABA. El tratamiento de plantas de trigo con opabactina protegía al cultivo de la sequía de manera eficiente. Opabactina es el agonista de los receptores de ABA más potente descrito hasta la fecha.
En nuestro grupo Chemical Biology Group, trabajamos en el desarrollo de herramientas biotecnológicas para incrementar la tolerancia a la sequía siguiendo una aproximación de descubrimiento de fármacos. En los últimos años, hemos participado en dos proyectos centrados en este objetivo. En el primero de ellos, hemos usado estrategias de cribado virtual y diseño de ligandos guiados por estructura para identificar un nuevo agonista de los receptores de ABA denominado iSB09. En paralelo, hemos aplicado la ingeniería de proteínas para desarrollar un receptor sintético CsPYL15m, diseñado para activarse de forma específica por iSB09. Al tratar plantas transgénicas que expresan el receptor CsPYL15m con iSB09, somos capaces de incrementar de manera notable la resistencia a la sequía de la planta modelo Arabidopsis thaliana (Figura 3B). Esta tecnología ha sido patentada y publicada recientemente. Sin embargo, esta investigación presenta ciertas dificultadas para convertirse en una solución real y alcanzar el mercado, ya que está basada en la utilización de plantas transgénicas que expresen el receptor CsPYL15m, lo que limita su aplicación como se menciona anteriormente.
Para solucionar este problema planteamos un proyecto ambicioso, a fin de desarrollar agonistas de los receptores de ABA que, por sí solos, tuvieran la potencia y propiedades necesarias para poder ser usados sobre variedades comerciales sin la necesidad de usar plantas transgénicas. Para ello, hemos contado con la colaboración de diferentes grupos de investigación nacionales expertos en biología estructural y farmacología, biología de plantas y química orgánica, además de la empresa gallega GalChimia, especializada en la síntesis orgánica y la química medicinal. Tras el rastreo de una colección de 60.000 compuestos químicos usando los receptores de ABA como diana, hemos encontrado nuevas moléculas químicas con propiedades muy satisfactorias. Para optimizar estas moléculas, hemos guiado su diseño mediante la química computacional, validándolo posteriormente mediante ensayos bioquímicos y fisiológicos. Hemos aplicado numerosos ciclos de diseño-sintesis-validación para mejorar progresivamente nuestros compuestos. Tras sintetizar más de 100 nuevas moléculas, hemos obtenido un nuevo agonista de los receptores de ABA con una actividad similar o incluso mayor que la opabactina, el mejor agonista descrito hasta la fecha. Estos resultados positivos nos han animado a caracterizar la actividad de nuestro compuesto en cultivos con gran interés agronómico como el tomate, el trigo (la especie más cultivada a nivel mundial) y el maíz (el cultivo más producido a nivel mundial). Nuestra mejor molécula es capaz de reducir el uso del agua e incrementar la tolerancia a la sequía en estas tres especies de manera muy eficiente. La aplicación de nuestro compuesto a plantas de tomate, trigo y maiz mejora considerablemente su tolerancia a la sequía con una actividad mucho mayor que la del propio ABA. Estos compuestos han sido patentados recientemente y ponen de manifiesto los beneficios de aplicar el descubrimiento de fármacos a la agricultura.
Perspectivas y desafíos
El uso de fármacos para mejorar la tolerancia a la sequía representa una intersección fascinante entre la biología de plantas, química médica, biología estructural, farmacología y agricultura. Sin embargo, pese a que varios compuestos han demostrado eficacia en condiciones controladas, su aplicación en campo requiere superar todavía muchos desafíos como su formulación o su estabilidad en condiciones reales. Además, estos compuestos deberán superar los marcos regulatorios necesarios para registrarlos como agroquímicos y resultar económicamente viables. En cualquier caso, el desarrollo de agonistas de los receptores de ABA es un ejemplo claro de las múltiples aplicaciones que ofrece el descubrimiento de fármacos en la agricultura.
Para leer más
- Cutler SR, Rodríguez PL, Finkelstein RR, Abrams SR. Abscisic acid: emergence of a core signaling network. Annual Review of Plant Biology 61 (2010) 651-79. doi: 10.1146/annurev-arplant-042809-112122
- Lozano-Juste J, Infantes L, Garcia-Maquilon I, Ruiz-Partida R, Merilo E, Benavente JL, Velázquez-Campoy A, Coego A, Bono M, Forment J, Pampín B, Destito P, Monteiro A, Rodríguez R, Cruces J, Rodriguez PL, Albert A. Structure-guided engineering of a receptor-agonist pair for inducible activation of the ABA adaptive response to drought. Science Advances 9 (2023) eade9948. doi: 10.1126/sciadv.ade9948
- Lozano-Juste J, García-Maquilón I, Ruiz-Partida R, Rodriguez PL. Drug Discovery for Thirsty Crops. Trends in Plant Science 25 (2020) 844-846. doi: 10.1016/j.tplants.2020.07.001
- Okamoto M, Peterson FC, Defries A, Park SY, Endo A, Nambara E, Volkman BF, Cutler SR. Activation of dimeric ABA receptors elicits guard cell closure, ABA-regulated gene expression, and drought tolerance. PNAS USA 110 (2013) 12132-7. doi: 10.1073/pnas.1305919110
- Park SY, Fung P, Nishimura N, Jensen DR, Fujii H, Zhao Y, Lumba S, Santiago J, Rodrigues A, Chow TF, Alfred SE, Bonetta D, Finkelstein R, Provart NJ, Desveaux D, Rodriguez PL, McCourt P, Zhu JK, Schroeder JI, Volkman BF, Cutler SR. Abscisic acid inhibits type 2C protein phosphatases via the PYR/PYL family of START proteins. Science 324 (2009) 1068-71. doi: 10.1126/science.1173041 Vaidya AS, Helander JDM, Peterson FC, Elzinga D, Dejonghe W, Kaundal A, Park SY, Xing Z, Mega R, Takeuchi J, Khanderahoo B, Bishay S, Volkman BF, Todoroki Y, Okamoto M, Cutler SR. Dynamic control of plant water use using designed ABA receptor agonists. Science 366 (2019) eaaw8848. doi: 10.1126/science.aaw8848
