Potencial biotecnológico de inibidores de carboxipeptidase de Solanum melongena (ICP-SMEL) e Solanum tuberosum (PCI) para controle de fitopatógenos: estudos de caracterização, estruturais, filogenéticos e antimicrobianos

Abstract

A crescente necessidade de estratégias sustentáveis para o controle de fitopatógenos impulsionou a pesquisa sobre moléculas de defesa em plantas. Dentre essas moléculas, os inibidores de carboxipeptidases (ICPs) presentes em solanáceas receberam atenção devido à sua habilidade de inibir proteases produzidas por patógenos e à sua atividade antimicrobiana. Este estudo investigou a prospecção e caracterização desses ICPs, com foco nas solanáceas Solanum melongena e Solanum tuberosum, como potenciais agentes de defesa e para controle de fitopatógenos. O primeiro capítulo se concentrou na caracterização dos ICPs da família Solanaceae. Diversas metodologias, incluindo análises de bioinformática, potencial antimicrobiano e análises filogenéticas, foram utilizadas para explorar a distribuição e conservação desses ICPs. As relações filogenéticas foram estabelecidas dentro da família Solanaceae, revelando uma presença marcante em gêneros como Capsicum, Nicotiana e Solanum. Características físico-químicas indicaram semelhanças com peptídeos antimicrobianos, enquanto estudos funcionais demonstraram sua atividade contra diversos patógenos. A inserção dos ICPs em uma nova subclasse (PR-6) das proteínas relacionadas à patogênese (proteínas PR) proporcionou novas perspectivas sobre suas funções como agentes de defesa. O segundo capítulo enfocou a caracterização do ICP derivado de Solanum melongena (ICP-SMEL). Métodos como extração de folhas, purificação por cromatografia e análises espectrométricas foram empregados para identificar e caracterizar o ICP- SMEL. Detalhes foram fornecidos sobre sua atividade antimicrobiana, estabilidade estrutural e inibição específica de metalocarboxipeptidases. A eficácia comprovada do ICP-SMEL contra bactérias e nematoides ressaltou seu potencial como agente de defesa vegetal. No terceiro capítulo, a interação entre o ICP-SMEL e metalocarboxipeptidases (MCPs) foi examinada detalhadamente. Simulações de docking e dinâmica molecular foram empregadas para compreender o mecanismo de inibição. A expansão gênero-específica dos ICPs nas solanáceas foi evidenciada, e o estudo demonstrou como o ICP-SMEL inibiu as MCPs de maneira estável, com interações precisas nos subsítios catalíticos. Esses resultados reforçaram a eficácia dos ICPs como moléculas de defesa das solanáceas. O quarto capítulo ampliou o escopo para considerar a importância dos ICPs no controle de fitonematoides. A expressão heteróloga dos ICPs foi investigada, validando sua atividade antimicrobiana e estrutura enovelada. A pesquisa destacou a relevância central das metaloproteases (MPs) na virulência vegetal. A análise das interações ICP-MCP revelou insights sobre o mecanismo de inibição competitiva, enfatizando o potencial dos ICPs como alvos promissores no combate aos fitonematoides. Em conclusão, este estudo explorou a prospecção e caracterização dos inibidores de carboxipeptidases (ICPs) nas solanáceas, com ênfase especial em Solanum melongena e Solanum tuberosum. Os resultados revelaram o potencial antimicrobiano e de defesa dos ICPs, destacando padrões de conservação de sequências, estabilidade estrutural e inibição específica de metalocarboxipeptidases. As interações ICP-MCP e sua relevância na virulência vegetal também foram enfatizadas. Essas descobertas contribuem para a compreensão das estratégias de controle de fitopatógenos e oferecem perspectivas valiosas para o desenvolvimento de abordagens sustentáveis na proteção de culturas agrícolas. Os ICPs emergem como alvos estratégicos para pesquisas biotecnológicas futuras, visando o controle de pragas vegetais e a segurança dos produtos agrícolas.

Palavras-chave: Inibidores de carboxipeptidase. Solanáceas. Potencial antimicrobiano. Defesa de plantas. Controle de fitopatógenos. Potencial

The escalating need for sustainable strategies in phytopathogen control has propelled the investigation into plant defense molecules. Among these molecules, carboxypeptidase inhibitors (ICPs) found in solanaceous plants have garnered attention due to their ability to inhibit proteases produced by pathogens and their antimicrobial activity. This study delved into the prospection and characterization of these ICPs, with a focus on solanaceous species such as Solanum melongena and Solanum tuberosum, as potential defense agents and tools for phytopathogen control. The first chapter centered on the characterization of ICPs within the Solanaceae family. Diverse methodologies, including bioinformatic analyses, antimicrobial potential assessments, and phylogenetic studies, were employed to explore the distribution and conservation of these ICPs. Phylogenetic relationships were established within the Solanaceae family, revealing a prominent presence in genera such as Capsicum, Nicotiana, and Solanum. Physico-chemical characteristics indicated similarities to antimicrobial peptides, while functional studies demonstrated their activity against various pathogens. The insertion of ICPs into a new subclass (PR-6) of pathogenesis- related (PR) proteins provided new insights into their roles as defense agents. The second chapter focused on the characterization of ICP derived from Solanum melongena ('ICP-SMEL'). Methods such as leaf extraction, chromatographic purification, and spectroscopic analyses were employed to identify and characterize ICP-SMEL. Details were provided on its antimicrobial activity, structural stability, and specific inhibition of metallo-carboxypeptidases (MCPs). The established efficacy of ICP-SMEL against bacteria and nematodes underscored its potential as a plant defense agent. In the third chapter, the interaction between ICP-SMEL and MCPs was meticulously examined. Docking simulations and molecular dynamics were employed to comprehend the inhibition mechanism. The genus-specific expansion of ICPs in solanaceous plants was revealed, and the study demonstrated how ICP-SMEL stably inhibited MCPs, with precise interactions at the catalytic subsites. These results reinforced the efficacy of ICPs as defenders of solanaceous plants. The fourth chapter expanded the scope to consider the importance of ICPs in phytonematode control. The heterologous expression of ICPs was investigated, validating their antimicrobial activity and folded structure. The research highlighted the central relevance of metalloproteases (MPs) in plant virulence. The analysis of ICP-MCP interactions revealed insights into the competitive inhibition mechanism, emphasizing the potential of ICPs as promising targets in combating phytonematodes. In conclusion, this study explored the prospection and characterization of carboxypeptidase inhibitors (ICPs) in solanaceous plants, with a special emphasis on Solanum melongena. The results unveiled the antimicrobial and defensive potential of ICPs, accentuating their conservation in sequence patterns, structural stability, and specific inhibition of MCPs. ICP-MCP interactions and their relevance in plant virulence were also underscored. These findings contribute to the understanding of phytopathogen control strategies and offer valuable perspectives for the development of sustainable approaches to safeguard agricultural crops. ICPs emerge as strategic targets for future biotechnological research, aiming to control plant pests and ensure the safety of agricultural products.

Keywords:

Carboxypeptidase inhibitors. Solanaceae. Antimicrobial potential. Plant defense. Phytopathogen control.