Sugerencia: en su mayor parte, gracias a un partido
El atractivo de muchos aromas florales para los humanos es un buen efecto secundario. Ni siquiera estábamos en el mundo cuando aparecieron. Y los perfumes disponibles comercialmente, aunque lo intentan, rara vez huelen a flores. Las botellas lujosas y caras con nombres como "jazmín" o "gardenia" pueden oler de maravilla, pero esto es solo una apariencia miserable de flores reales.
Una razón para esto es que las flores generalmente producen una mezcla de una gran cantidad de moléculas volátiles, hasta mil especies. Algunos de ellos pertenecen a grupos químicos interconectados, e incluso si difieren muy poco en su estructura, pueden emitir olores muy diferentes. En las flores relacionadas entre sí, las moléculas volátiles pueden variar tanto en proporciones (que refleja una regulación diferente de los genes) como en la estructura química (que refleja la actividad de los genes asociados con la producción de enzimas necesarias para la síntesis). Es bastante difícil establecer qué componentes particulares de esta mezcla son importantes para atraer insectos, pájaros o para crear olores agradables para las personas. Esto es especialmente difícil, porque nuestro sentido del olfato depende de un conjunto complejo de células nerviosas y difiere en diferentes personas. La producción de aromas depende de los genes de las plantas, y la capacidad de los animales, incluido nosotros, para capturar estos aromas depende de los genes de los animales.
Al igual que con el color, la química de los compuestos volátiles que afectan el olor depende de la presencia de genes que codifican enzimas proteicas. Estas enzimas funcionan de forma secuencial para crear moléculas complejas con olor a partir de las moléculas que las preceden, cuya presencia depende de otro conjunto de genes y enzimas. El número relativo de moléculas diferentes depende, a su vez, del tercer conjunto de genes que codifican ARN y proteínas, que son importantes para la regulación y modulación de genes necesarios para la producción de olores.
Cuando olemos una rosa, percibimos una mezcla de varios cientos de moléculas diferentes. Y cada uno de ellos es el resultado de un conjunto de genes y enzimas codificados por ellos que causan ciertas reacciones químicas en los pétalos de rosa. Muchas moléculas volátiles se derivan del aminoácido
fenilalanina .
Las plantas crean fenilalanina a partir de moléculas más simples a través de un conjunto de genes que codifican las enzimas proteicas necesarias. La fenilalanina es un pariente cercano de la
tirosina , el aminoácido utilizado por las plantas para crear pigmentos de
betalamina , y también es un compuesto aromático con un anillo de átomos de carbono. La diferencia en su estructura química consiste solo en el hecho de que la tirosina tiene oxígeno adicional (en la forma del grupo –OH conectado al anillo de carbono). Los mamíferos generalmente producen tirosina a partir de fenilalanina (las plantas usan una ruta diferente para esto). La lista de moléculas de olor agradable derivadas de fenilalanina y tirosina es bastante larga.
Las plantas crean fenilalanina y tirosina para poder crear proteínas. Pero la evolución, que también es oportunista, utiliza aminoácidos para otros fines. Cada uno de los métodos depende de la aparición durante la evolución de uno o varios genes adicionales que codifican enzimas que crean tanto aromas como proteínas con ARN, que son necesarios para la inclusión de los genes contenidos en los pétalos en el momento adecuado. Muchas moléculas volátiles aromáticas surgieron como resultado del hecho de que las copias de genes sufrieron mutaciones; ya hemos visto ese esquema varias veces. Esta es una de las formas más efectivas de crear variantes genéticas con las que la selección natural puede trabajar.
Para producir una sustancia aromática volátil a partir de los aminoácidos fenilalanina o tirosina, es necesario llevar a cabo una operación quirúrgica química sobre el aminoácido utilizando una o más reacciones, cuyos catalizadores son ciertas enzimas. Una de estas reacciones elimina el grupo amino (–NH2) del aminoácido. Si la fenilalanina sirvió como molécula inicial, entonces el resultado es
ácido cinámico ; Si la tirosina fue la molécula inicial, se obtiene ácido cumarico. La única diferencia entre estos ácidos es que el ácido cumarínico tiene el mismo átomo de oxígeno adicional en forma del grupo –OH que la tirosina. Y la mayoría de los aromas de las flores, aunque no todos, se originan en la forma de una de estas dos moléculas.
No debe haber ningún secreto en el nombre del ácido cinámico: es el que le da a la canela un olor familiar. La canela es la corteza seca de los árboles de hoja perenne de la familia de la canela de la familia del laurel, lo que nos recuerda que muchas plantas tienen otras partes además de los pétalos que producen aromas. Una enzima que elimina un grupo amino de la fenilalanina para producir un ácido se llama
PAL , y está codificada por un gen del mismo nombre. La mayoría de las plantas tienen varios genes PAL. El modelo de porción del
pez fantasma tiene cuatro genes PAL, y exhiben diversos grados de actividad, trabajando en diferentes partes de la planta. Tener múltiples genes PAL tiene sentido, ya que la misma fenilalanina menos el grupo amino, como el ácido cinámico, genera muchas moléculas de plantas, y no solo las volátiles. Entre ellos se encuentran la
lignina , una molécula grande que se encuentra en la madera, y los pigmentos que dan color a los colores. Algunas plantas usan PAL para desencadenar una larga cadena de reacciones que conducen a la producción de
chalcona , una molécula que finalmente se convierte en un tinte antocianina.
Otra forma de producir aromas de fenilalanina implica dos disecciones de aminoácidos. Se eliminan el grupo amino (–NH2) y el grupo ácido (–COOH), es decir, todo lo que caracteriza a la molécula como un aminoácido. La molécula restante se convierte en el punto de partida para la producción de muchas otras moléculas aromáticas. El nivel de enzimas necesarias para esta cirugía en los pétalos de rosa se alcanza con mayor frecuencia en las flores adultas al final del día, cuando es más importante atraer insectos polinizadores. La evolución ha garantizado que los genes se vuelvan más activos en el momento adecuado.
El descubrimiento de los genes responsables de las enzimas que eliminan el grupo ácido de la fenilalanina requirió una verdadera investigación detectivesca. Los bancos de datos genéticos de color se peinaron en busca de secuencias que, por analogía con genes conocidos en otros organismos, podrían producir una enzima que elimina el grupo ácido de la fenilalanina. Los científicos encontraron una pista cuando descubrieron secuencias de ADN de plantas similares a las de genes animales que eliminan un grupo ácido de una molécula de DOPA, o
dioxifenilalanina , similar a la fenilalanina. La misma molécula se usa como cura para la enfermedad de Parkinson. Este segmento de ADN fue más activo en las plantas en ese momento y en aquellos lugares donde y cuando la producción de moléculas volátiles a partir de fenilalanina fue máxima. Cuando se suprimió la actividad de estos genes como un experimento en petunias mutadas, se detuvo la producción de sustancias aromáticas. Lo mismo era cierto para la versión de los genes disponibles para la rosa.
Las variedades de este código genético en la petunia y las rosas producen enzimas que son 65% idénticas a las enzimas de los animales que eliminan el grupo ácido en DOPA, y son similares a otras enzimas vegetales que eliminan el grupo ácido en otras moléculas. Juntos, estos genes pertenecen a la familia de genes relacionados. Por lo tanto, tiene sentido suponer que todos provienen de un gen ancestro común.
Las plantas con flores pueden tener muchos más genes que codifican las enzimas necesarias para la producción de otros compuestos aromáticos. ¿De dónde vinieron? Probablemente, la mayoría de ellos, o tal vez todos, están asociados con genes que son importantes para el trabajo de otras funciones de la planta y provienen de la copia de genes en el pasado. Aparentemente, esto sucedió durante la evolución de los genes responsables del sabor "té" característico de la popular rosa de té. Cuando el antiguo género de rosas chinas entró en Europa a fines del siglo XVIII, quedó claro de inmediato que diferían en olor de las europeas. Muchos años después, esta fragancia única se asoció con ciertos compuestos. Para entonces, ya se habían recibido híbridos entre rosas chinas y europeas. Estos híbridos, conocidos como rosas de té, son especialmente populares, y una de las razones de esto es su aroma fuerte y atractivo, heredado del ancestro chino del híbrido. Entre estos aromas, una molécula (3,5-dimetoxitolueno o DMT [3,5-dimetoxitolueno]) puede representar hasta el 90% de todas las moléculas aromáticas producidas por las flores. Los pétalos de rosas europeas producen muy pocas de estas moléculas, y a veces no las producen en absoluto.
La molécula DMT está asociada con otros aromas de flores que consisten en un anillo principal de seis átomos de carbono, algunos de los cuales están decorados con una variedad de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno. Varios genes y enzimas dan la oportunidad de producir anillos decorados para las flores. Dos enzimas codificadas por los genes de las rosas chinas, y activas en los pétalos de las rosas chinas, pueden producir alguna modificación que conduzca a la producción de DMT. ¿Por qué las rosas europeas no pueden hacer esto? No tienen el conjunto de genes necesarios para realizar los cambios necesarios. Dos genes muy cercanos, pero diferentes, conducen a los correspondientes cambios químicos en las rosas, descendientes de los chinos; se llaman OOMT1 y OOMT2. Las rosas europeas puras tienen solo uno de estos dos genes, pero se requieren ambas proteínas para modificar el anillo aromático de la manera que conduce a la aparición de DMT. Los 350 aminoácidos en OOMT1 y OOMT2 son 96% idénticos, y un cambio en solo uno de los 350 aminoácidos es probablemente el responsable de la diferencia en lo que pueden producir en las células pétalo. Todo esto sugiere que antes, muy probablemente, solo hubo un gen OOMT que se sometió a duplicación, después de lo cual una de las dos copias sufrió mutaciones de ADN y, como resultado, los aminoácidos de la enzima proteica codificada por ella cambiaron.
¿Cuál de los genes fue el primero? Si compara los genes OOMT en muchas rosas diferentes, la mayoría de ellos tendrá genes OOMT2, pero solo los descendientes de rosas chinas tendrán OOMT1. De las características estructurales del árbol evolutivo de rosas, se deduce que, muy probablemente, las rosas chinas aparecieron más tarde en la línea de tiempo que otras. Esto sería una evidencia convincente de que OOMT2 existe más tiempo que OOMT1, y que OOMT2 se ha duplicado.
Pero obtener rosas con un olor atractivo para los humanos no podría ser la razón del éxito de esta duplicación y mutación genética. ¿Por qué este gen sobrevivió y tuvo éxito? Se trata de abejas: los polinizadores importantes de las flores, aparentemente, pueden sentir DMT.
Maxine Singer recibió su doctorado en 1957 en Yale. Trabajó en los consejos editoriales de Proceedings of the National Academy of Sciences y Journal of Biological Chemistry and Science. Recibió muchos premios científicos. Extracto del libro "Las flores y los genes que los generan" (Flores: y los genes que los hacen), Maxine F. Singer, 2018.