Mimici de strigolactone ca ingrediente
active ale unui biostimulant pentru plante multifuncțional – RhizoStim
Contract nr. 635PED/2022
cod proiect: PN-III-P2-2.1-PED-2021-2866
Coordonator proiect – Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Chimie și Petrochimie – ICECHIM București
Director de proiect: Dr. habil. Florin OANCEA
Perioada de implementare: 2022 – 2024
Parteneri
• Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Chimie și Petrochimie – ICECHIM, București
• Universitatea din București, Facultatea de Biologie
• SC Enpro Soctech Srl București
Scopul si obiectivele proiectului
• Proiectul RhizoSTIM își propune să dezvolte un biostimulant pentru plante multifuncțional, de nouă generație, pe bază de mimici de strigolactone. Acest produs va acționa atât ca un modulator al rizomicrobiomului, cât și ca regulator al răspunsului plantelor la stres.
• Obiectivele proiectului sunt: (i) proiectarea și dezvoltarea de noi mimici de strigolactone care acționează asupra microorganismelor din rizosferă și asupra cascadei interne de semnale reglatoare din plante; (ii) înțelegerea efectului mimicilor de strigolactonelor asupra fungilor din rizosferă și a plantelor model (iii) testarea mimicilor de strigolactone pe sisteme model.
Etapele proiectului
•Etapa 1. Elaborarea și realizarea modelelor și procedurilor experimentale
•Etapa 2. Testarea modelelor și procedurilor experimentale
•Etapa 3. Demonstrarea funcționalității modelelor și procedurilor experimentale
ETAPA 1/2022
Rezultate etapa 1
Au fost realizate toate livrabilele proiectului, respectiv 7 Modele și proceduri experimentale elaborate pentru mimicii de strigolactone: predicția proprietăților, sinteza chimică și biotestarea, identificare in-silico de receptori din fungii de rizosferă, determinare efecte asupra microorganismelor benefice, a plantelor model și a sistemelor model plantă-microorganisme. S-a realizat planul inițial de diseminare. A fost publicat un articol în care sunt utilizate metode utilizate în acest proiect.
Cuantificarea filtrelor specifice caracterului drug-like si leadlikeness Clasa 1- codurile SL-6, SL-26, SL-FD1, SL-20 si SL-21
ETAPA 2/2023
Rezultate etapa 2
Analiza QSAR/SAR a mimicilor de strigolactone a pornit de la două noi direcții reliefate în domeniu în ultimul an: (i) existența strigolactonelor natural canonice, care au trei cicluri condensa (ABC) legate printr-o grupă enol-eterică de un ciclu furanonic α,β-nesatura (D), de obicei substituit cu unul sau doi radicali metil și a celor non-canonice, care au un ciclu deschis BC și (ii) înțelegerea modului în care strigolactonele interacționeaz cu receptorii din clasa proteinelor/hidrolazelor a/β.
• Rezultatele predicției proprietăților au arătat că (i) nici un compus studiat nu este cancerigen; (ii) imunotoxicitatea poate fi indusă de o serie de compuși; (iii) compușii SL-6, 26, 27 pot induce mutagenitate (cu probabilitate mare, variază în 0,59-0,74), de asemenea, FG-42, 47 au înregistrat caracteristici mutagenetice (modele de probabilitate 0,52, 0,80). S-au obținut rezultate bune pentru caracteristica de citotoxicitate, când toți compușii pot fi inactivi, cu valori mari ale modelelor de probabilitate. Din păcate, toxicitatea la nivel mitocondrial pare a fi prezentată pentru compușii SL-6, 20, 21, 26, 27, FG-30, 31, 32, 33, 42, 46, 47. S-au obținut rezultate interesante pentru afinitatea compușii de la receptorul de hidrocarburi arii, majoritatea compușilor sunt inactivi, cu puține excepții FG-30, 31, 33 și 47. În ceea ce privește toxicitatea față de mitocondrii, rezultatele referitoare la acest tip de toxicitate trebuie interpretate și sub aspectul semnificației biologice. Strigolactonele sunt cunoscute ca având efect asupra acestora, atât la organisme pentru care sunt recunoscute ca factor semnal, plante organisme din rizosferă, cât și pentru celulele umane, în special cele transformate.
• Pentru sinteza compușilor biomimetici ai SL 3 (cod lab. FG 30), 4 (cod lab. FG 42), 6 (cod lab. FG 33), 7 (cod lab. FG 31) și 9 (cod lab. FG-32) s-a testat un procedeu general simplu și eficient care pleacă din materii prime accesibile comercial si relativ ieftine. Procedeul de sinteză general constă în două etape: obținerea 5-bromo-3-metil-5H-furan-2-ona 1, intermediarului comun pentru sinteza acestor compuși biomimetici ai SL; sinteza compușilor biomimetici ai SL: compușii 3 (cod lab. FG 30), 4 (cod lab. FG 42), 6 (cod lab. FG 33), 7 (cod lab. FG 31) și 9 (cod lab. FG-32).
• S-au testat modelele de identificare in-silico a receptorilor pentru fungi din rizosferă. Compusul SL20 are cea mai mică energie liberă estimată de legare
(EFEB) și constanta de inhibare estimată (Ki) cea mai mică pentru receptorul fungic de tip hidrolază a/β, ShD14.
• Au fost determinate efectele mimicilor de strigolactone asupra microorganismelor biostimulante – amplificarea producerii de clamidospori la fungii din genul Trichoderma,
respectiv formarea biofilmului de către bacteriile cu rol de stimulare a micorizelor. Influența analogilor și mimicilor de strigolactone asupra formării de biofilme microbiene s-a testat prin utilizarea unei platforme microfluidice, operată concomitent cu un microscop automat. A fost testat efectul de protejare exercitat de mimicii de strigolactone față de factorii de stres abiotici la plantele model Arabidopsis thaliana. Au fost testate efectele mimeticilor de strigolactone asupra unui sistem model plantă-microorganisme, rhizobiile fixatoare de azot în simbioză cu leguminoasele. Au fost dezvoltate produse care stimulează formarea simbiozelor, fixatoare de azot și micorizale, pe baza noilor mimici de strigolactone.
ETAPA 3/2024
Rezultate etapa 3
A fost realizată reprezentarea histogramelor a 5 tipuri de energii (torsiune, electrostatica, van der Waals, totală, solvatare) și a potentialului de interactiune în scopul de a realiza validarea statistică a modelului de interacțiune strigolactone-membrană celulară. Concluziile sunt: Energia electrostatică prezintă o variație semnificativă in seria 2 de compuși, de la -7.74 (FG-31) kcal/mol la 2.61 kcal/mol (FG-32), în schimb în seria 1 de compuși variația înregistrată este mult mai mică. O variație relativ mică se înregistrează la nivelul energiei de solvatare în seriile 1 si 2, variația înregistrând cea mai mare valoare în seria 2 (FG-31= 4.50 kcal/mol) și cea mai mica valoare de -3.05 (FG-32). Cea mai mare variație electronică a fost înregistrată pentru energia de torsiune, chiar in cadrul seriei, chiar dacă modificările structurale sunt minime între compuși. În seria 1, energia de torsiune a înregistrat valoarea de 10.73 kcal/mol (SL-21) si – 1.84 kcal/mol (SL-6) în timp ce pentru seria 2 este o variație mai mica d la 4 kcal/mol la -3.96 kcal/mol. Pentru energia van der Waals nu au fost înregistrate variații semnificative in seriile 1 și 2.
În dreapta se poate vedea sistemul de calcul construit pentru simulările de dinamică moleculară. Bistratul este construit în planul xOy şi sistemul este aliniat cu axa Oz. Sferele galbene reprezintă ioni de Na+, iar cele albastre ioni de Cl-.
S-au realizat procedeele experimentale optimizate pentru sinteza unor compuși mimici de strigolactone care conțin un ciclu chinolinic, cumarinic, sau o grupare N-fenillbenzamidică legată de un nucleu bioactiv de 3-metil-furan-2-onă printr-o legătură eterică. Pe baza procedeului de sinteză optimizat elaborat s-a testat funcționalitatea acestuia la nivel de laborator. Pe baza procedeului optimizat de sinteză s-au obținut cantitățile necesare de compuși biomimetici noi pentru caracterizare structurală completă și pentru biotestare. Toți mimicii de strigolactone sintetizați au fost caracterizați structural pe baza analizelor chimice si spectrale, inclusiv IR, 1H RMN, 13C RMN, a analizelor de raze X și a studiilor fotofizice. Datele obținute au demonstrat că practic compușii sintetizați care conțin o moleculă de chinolină sau cumarină sunt compuși fluorescenți. S-au testat modelele de identificare in-silico a receptorilor pentru fungi din rizosferă – compusul FG-33 pentru receptorul fungic de tip hidrolază a/β, ShD14. Au fost determinate efectele mimicilor de strigolactone asupra microorganismelor biostimulante din genul Trichoderma. Efectul mimicilor de strigolactone FG-33 și FG-43 a fost testat și pe planta de tomate model (Solanum lycopersicum), cv. MicroTom. Mimicii testați au efect specific biostimulanților, protejând plantele de tomate față de stresul salin. Rezultatele demonstrează un efect complementar al tratamentelor cu strigolactone și cu o tulpină biostimulantă de Trichoderma în ceea ce privește creșterea toleranței la stresul hidric.
