Defesa bioquímica de plantas às pragas agrícolas: desenho racional de inibidores de proteases peptídicos a serem utilizados nas formulações biopesticidas

Abstract

Os danos causados por insetos lepidópteros reduzem o rendimento e a qualidade das lavouras de soja devido à desfolha, impactando negativamente os lucros da agricultura. Para controlar essas pragas, muitos produtores de soja recorrem a grandes quantidades de agrotóxicos sintéticos e cultivares transgênicos contendo toxinas Bt. Os agrotóxicos sintéticos comumente utilizados, além de refratários, impactando negativamente o meio ambiente, muitas vezes estão relacionados a problemas de saúde humana. Além disso, a pressão seletiva em herbívoros causada pelo uso de um modo de ação único, como proteínas tóxicas de cultivares Bt transgênicas, gera pragas resistentes. Por isso, a busca por compostos biológicos ecologicamente corretos, com diferentes modos de ação e efeitos semelhantes aos dos agrotóxicos convencionais, tem ganhado atenção em todo o mundo devido ao seu apelo sustentável. Os inibidores de protease (IPs) fazem parte da defesa natural das plantas contra herbívoros e aparecem como um potencial agente de controle para complementar, ou mesmo substituir, os atuais agrotóxicos convencionais. Essas moléculas se ligam a proteases que clivam as proteínas da dieta em aminoácidos livres, prejudicando o ciclo de vida e a reprodução dos insetos. No entanto, devido à coevolução com as plantas, os herbívoros desenvolveram adaptações para retardar os efeitos dos IPs naturais, reduzindo sua eficácia no campo. Neste trabalho, primeiramente, foram avaliados os efeitos de dois inibidores de proteases peptídicos (GORE1 e GORE2) desenhados a partir de substratos tripeptídicos de tripsina-like contra Anticarsia gemmatalis através de estudos de docking e dinâmica molecular, ensaios enzimáticos in vitro e in vivo e testes biológicos. Posteriormente, foram avaliados os efeitos diferenciais de dois inibidores de proteases BPTI (Bovine pancreatic trypsin inhibitor) – non-host PI e SKTI (Soybean kunitz trypsin inhibitor) – host PI – nas respostas adaptativos e no ciclo de vida de Anticarsia gemmatalis. Além disso, foram realizados ensaios computacionais de dinâmica molecular proteína- proteína a fim de identificar os sítios reativos destas duas moléculas, visando o desenho de outros novos peptídeos inibidores de proteases. Os inibidores peptídicos são potenciais candidatos para o manejo de insetos lepidópteros. A otimização dessas moléculas, por meio de modificações químicas estruturais, e a formulação de biopesticidas contendo uma variedade de peptídeos, com diferentes modos de ligação a serino-proteases, poderia viabilizar o uso desse tipo de moléculas na agricultura. Palavras-chave: Lagarta-da-soja. Peptídeos. Inibidores proteicos. Serino-proteases. Docking molecular

The damage caused by lepidopteran insects reduces the yield and quality of soybean crops due to defoliation, negatively impacting agricultural profits. To control these pests, many soybean farmers resort to large amounts of synthetic pesticides and transgenic cultivars containing Bt toxins. Commonly used synthetic pesticides, in addition to being refractory, negatively impacting the environment, are often related to human health problems. Furthermore, selective pressure on herbivores caused by the use of a unique mode of action, such as toxic proteins from transgenic Bt cultivars, generates resistant pests. Therefore, the search for ecologically correct biological compounds, with different modes of action and effects similar to those of conventional pesticides, has gained attention worldwide due to its sustainable appeal. Protease inhibitors (PIs) are part of the natural defense of plants against herbivores and appear as a potential control agent to complement, or even replace, current conventional pesticides. These molecules bind to proteases that cleave dietary proteins into free amino acids, disrupting the life cycle and reproduction of insects. However, due to coevolution with plants, herbivores have developed adaptations to delay the effects of natural IPs, reducing their effectiveness in the field. In this work, we first evaluated the effects of two peptide protease inhibitors (GORE1 and GORE2) designed from trypsin- like tripeptide substrates against Anticarsia gemmatalis through docking and molecular dynamics studies, in vitro and in vivo enzymatic assays and biological tests. Subsequently, the differential effects of two protease inhibitors BPTI (Bovine pancreatic trypsin inhibitor) – non-host PI and SKTI (Soybean kunitz trypsin inhibitor) – host PI – on the adaptive responses and life cycle of Anticarsia gemmatalis were evaluated. Furthermore, computational assays of protein-protein molecular dynamics were performed in order to identify the reactive sites of these two molecules, aiming at the design of other new protease inhibitor peptides. Peptide inhibitors are potential candidates for the management of lepidopteran insects. The optimization of these molecules, through chemical structural modifications, and the formulation of biopesticides containing a variety of peptides, with different modes of binding to serine proteases, could enable the use of this type of molecules in agriculture. Keywords: Velvet bean caterpillar. Peptides. Protein inhibitors. Serine-proteases. Molecular docking