José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Ao investigar por que tomates silvestres são mais resistentes à traça-do-tomateiro (Phthorimaea absoluta) do que as variedades cultivadas, um estudo internacional revelou que o segredo reside na forma espacial de uma molécula de defesa da planta. Os autores conseguiram mapear a origem bioquímica dessa diferença, comprovando que a alteração de quatro aminoácidos em uma única enzima é suficiente para reconfigurar a estrutura da substância e aumentar sua toxicidade contra essa praga. O achado abre caminho para criar tomates resistentes por meio de edição genética.

Apoiada pela FAPESP e publicada na revista Nature Communications, a pesquisa foi coordenada por Jiancai Li, professor do Instituto de Fisiologia e Ecologia Vegetal de Xangai e da Universidade da Academia Chinesa de Ciências, em Pequim. E contou com a participação de José Maurício Simões Bento, professor da Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz da Universidade de São Paulo (Esalq-USP).

A equipe liderada por Li trabalha com genética, bioquímica e biossíntese de metabólitos especializados de plantas, enquanto o grupo coordenado por Bento dedica-se à ecologia química e às interações entre plantas e insetos. “A integração entre essas áreas foi muito importante. Depois de identificado o mecanismo genético e bioquímico responsável pelas diferentes formas moleculares, era importante compreender as consequências biológicas dessa diferença e avaliar se uma pequena alteração na forma tridimensional de uma molécula poderia modificar a capacidade da planta de se defender de uma praga”, diz Bento.

A colaboração entre os grupos chinês e brasileiro surgiu a partir de uma chamada de propostas lançada em 2024 pela FAPESP e pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (NSFC), após a FAPESP Week China.

Indivíduo adulto da traça-do-tomateiro (Phthorimaea absoluta). A substância filotomatina, presente nas folhas do tomate silvestre (Solanum pennellii), oferece maior proteção contra esse predador (foto: José Maurício Simões Bento)

O estudo analisou os chamados glicoalcaloides esteroidais, ou SGAs, substâncias naturais produzidas por plantas do gênero Solanum, como tomate, batata e berinjela. Essas substâncias participam da defesa química das plantas contra insetos herbívoros e patógenos.

No tomate cultivado (Solanum lycopersicum), um dos principais SGAs presentes nas folhas é a α-tomatina. Já nas folhas do tomate silvestre (Solanum pennellii) predomina a filotomatina. Ambas as substâncias têm a mesma porção de açúcares, mas a estrutura tridimensional da base da molécula é diferente.

É aí que entra a quiralidade. Uma molécula é chamada de quiral quando sua estrutura não pode ser perfeitamente sobreposta à sua imagem no espelho. O exemplo clássico são as mãos direita e esquerda: elas têm as mesmas partes, organizadas de forma especular, mas nenhuma translação ou rotação permite encaixar perfeitamente uma sobre a outra. Analogamente, uma molécula quiral pode apresentar duas formas, como versões “direita” e “esquerda” da mesma estrutura. Essas duas formas constituem um par de enantiômeros (moléculas quirais em formas espelhadas).

“A própria vida constitui um ambiente altamente quiral. Aminoácidos e açúcares, por exemplo, existem predominantemente em uma das formas enantioméricas. Por isso, diante de determinado alvo biológico, apenas uma configuração pode se encaixar adequadamente na cavidade ou sulco de uma proteína, enquanto a outra não consegue fazê-lo”, explica Li.

Esse princípio geral ganhou uma demonstração concreta nos experimentos com os insetos. A filotomatina, predominante nas folhas do tomate silvestre, proporcionou proteção maior contra a traça-do-tomateiro quando comparada à α-tomatina, mais presente na variedade cultivada. O resultado foi observado tanto em experimentos com plantas quanto em bioensaios com dieta artificial. Nestes últimos, os insetos foram alimentados com uma dieta preparada em laboratório, à qual se adicionaram separadamente os compostos que se queria testar. Isso permitiu comparar diretamente seus efeitos sobre os insetos, sem a interferência de outras características da planta.

“Um dos aspectos mais interessantes do estudo é mostrar que, na defesa da planta, não importa apenas a presença ou a quantidade de uma substância, mas também a forma como sua molécula se organiza no espaço”, relata Bento. “A α-tomatina e a filotomatina são moléculas extremamente semelhantes, mas diferem na configuração tridimensional. O estudo mostrou que essa diferença é biologicamente relevante.”

Segundo o pesquisador da Esalq, o resultado mostra como as defesas químicas das plantas podem ser sofisticadas: “A forma da molécula pode favorecer ou dificultar sua interação com estruturas específicas no organismo do inseto.”

Ainda não se sabe qual é o alvo molecular exato desses glicoalcaloides no inseto. Li considera, porém, que o reconhecimento estereoespecífico – isto é, a capacidade de um alvo biológico distinguir entre diferentes configurações espaciais – provavelmente está por trás da diferença observada.

“Esse fenômeno tem recebido atenção considerável no desenvolvimento de medicamentos a partir de produtos naturais vegetais. Mas as forças ecológicas que moldam a quiralidade dos metabólitos na natureza ainda são pouco conhecidas. Com este estudo, esperamos chamar mais atenção para as funções ecológicas da quiralidade dos produtos naturais das plantas e para suas possíveis aplicações na proteção vegetal”, sublinha o pesquisador chinês.

Quatro aminoácidos fazem a diferença

Para descobrir de onde vinha a diferença entre os dois tipos de tomate, os pesquisadores investigaram o gene GAME8, que codifica uma enzima envolvida na biossíntese desses glicoalcaloides.

No tomate silvestre, existem dois genes muito semelhantes, GAME8a e GAME8b, que codificam enzimas com preferências diferentes: a produzida por GAME8a direciona predominantemente a formação da configuração associada à filotomatina, enquanto a produzida por GAME8b favorece aquela associada à α-tomatina. No tomate cultivado, os dois genes GAME8 têm sequências codificadoras idênticas e suas enzimas favorecem predominantemente a configuração associada à α-tomatina.

É nesse ponto que a diferença genética se transforma em diferença química. Essas enzimas atuam sobre uma molécula precursora dos glicoalcaloides e determinam, em uma etapa decisiva da cadeia de reações, qual configuração espacial será formada. No silvestre, a enzima produzida por GAME8a favorece a configuração R, que conduz à filotomatina; a produzida por GAME8b favorece a configuração S, que conduz à α-tomatina. No tomate cultivado, as enzimas produzidas pelos dois GAME8 idênticos favorecem a configuração S e, consequentemente, a α-tomatina.

As letras R e S correspondem às palavras latinas rectus (“direita”) e sinister (“esquerda”), que são os termos usados para designar as duas possíveis configurações espaciais em torno de um centro quiral.

Os pesquisadores deram então um passo adiante e procuraram descobrir o que, na própria estrutura dessas enzimas, fazia com que uma favorecesse a configuração R e a outra, a S. Embora GAME8a e GAME8b sejam extremamente semelhantes, os autores identificaram quatro aminoácidos com papel decisivo nessa escolha. “Esses quatro aminoácidos estão localizados ao redor da cavidade catalítica da enzima e determinam a orientação da molécula precursora em seu interior. Essa orientação, por sua vez, define qual átomo de hidrogênio será modificado e, consequentemente, a configuração final do produto”, descreve Li.

O mecanismo pôde então ser explicado em escala molecular. A molécula precursora se acomoda dentro de uma cavidade da enzima, e aqueles quatro aminoácidos ajudam a determinar sua posição. Dependendo de como fica orientada nesse espaço, um ou outro átomo de hidrogênio da molécula precursora fica na posição adequada para ser modificado pela enzima. Essa pequena diferença basta para definir se o produto terá configuração R ou S. A quiralidade dos glicoalcaloides do tomate, portanto, pode ser rastreada por uma sequência bastante direta: diferenças no gene / diferenças na enzima / diferente posicionamento da molécula precursora / configuração R ou S / filotomatina ou α-tomatina.

Com as devidas ressalvas, a enzima pode ser imaginada como uma estrutura que recebe uma molécula e a mantém em determinada posição enquanto a reação química acontece. Uma alteração mínima nas paredes dessa estrutura muda a orientação do substrato e, com isso, o resultado espacial da reação. “A equipe chinesa conseguiu revelar com grande precisão o mecanismo molecular”, comenta Bento.

Para Li, a descoberta abre caminho para que a quiralidade de produtos naturais vegetais possa ser deliberadamente modificada. Em princípio, enzimas poderiam ser projetadas para favorecer a produção da configuração molecular de maior atividade e menor toxicidade, uma possibilidade de interesse também para a biologia sintética.

Defesa sob medida

Um dos resultados mais interessantes do trabalho surgiu quando os pesquisadores confrontaram as duas moléculas com outro inseto. Contra Spodoptera litura – herbívoro generalista capaz de se alimentar de numerosas espécies vegetais e popularmente conhecido como lagarta-do-tabaco ou lagarta-desfolhadora – filotomatina e α-tomatina apresentaram efeitos defensivos semelhantes. A superioridade da filotomatina, portanto, não é absoluta. Ela depende de quem está tentando se alimentar da planta.

Segundo Li, isso reforça a hipótese de que a atividade de cada configuração molecular depende de sua interação com alvos específicos no organismo do inseto. “Nossos resultados sugerem que a filotomatina não é simplesmente mais tóxica em um sentido geral. Se fosse esse o caso, esperaríamos que todas as espécies silvestres de tomate acumulassem filotomatina”, argumenta.

Isso não acontece. Diferentes espécies silvestres acumulam diferentes configurações desses compostos, sugerindo que cada perfil químico pode oferecer vantagens particulares diante dos herbívoros encontrados em determinado ambiente. “Isso sugere que as defesas químicas das plantas podem evoluir em resposta a interações muito específicas com determinados herbívoros, e não simplesmente para tornar as plantas, de forma geral, mais tóxicas”, comenta Bento.

O resultado levanta uma questão evolutiva especialmente interessante. S. pennellii possui geneticamente a capacidade de produzir os dois isômeros: acumula predominantemente filotomatina nas folhas, mas α-tomatina em outros tecidos. Como as folhas constituem um dos principais alvos dos herbívoros, essa distribuição específica pode não ser casual.

“Hoje, nossas evidências são correlacionais. Observamos que a filotomatina proporciona maior resistência à P. absoluta, que interage naturalmente com S. pennellii. Como as folhas são os órgãos mais expostos às pragas herbívoras, interpretamos isso como um provável resultado de uma longa coevolução entre a planta e seus herbívoros especializados”, pontua Li. Ele ressalva, porém, que obter uma demonstração definitiva de um cenário evolutivo desse tipo é extremamente difícil.

Tomates mais resistentes

A identificação dos quatro aminoácidos que controlam a preferência da enzima GAME8 leva a pesquisa do terreno da biologia fundamental para uma possível aplicação agrícola. Em princípio, seria possível editar o gene do tomate cultivado para fazê-lo produzir filotomatina e aumentar sua resistência à P. absoluta.

“Do ponto de vista técnico, modificar a GAME8 para que o tomateiro acumule filotomatina é perfeitamente viável. Podemos fazer isso editando os quatro aminoácidos-chave com as biotecnologias atuais, sem nem sequer introduzir genes exógenos”, avalia Li.

A possibilidade é particularmente relevante porque P. absoluta é uma praga especializada no tomateiro. Mas transformar a descoberta em uma nova variedade comercial exige cautela. O próprio experimento mostrou que uma configuração mais eficiente contra uma espécie de inseto não é necessariamente superior contra outras. Será preciso testar seus efeitos sobre outras pragas importantes do tomateiro, como a mosca-branca.

Há também outro problema. Os glicoalcaloides não interessam apenas por sua função defensiva. Alterar seu metabolismo pode produzir efeitos sobre características agronômicas e alimentares. Qualidade do fruto, sabor e propriedades antinutricionais precisam ser avaliados antes que uma alteração dessa natureza possa ser utilizada em uma cultivar destinada ao consumo.

A perspectiva ainda depende, portanto, de uma longa sequência de testes. Mas o estudo estabelece um princípio mais amplo: melhorar a defesa química de uma planta talvez não exija simplesmente aumentar a quantidade de uma substância tóxica. Em certos casos, pode bastar modificar a orientação espacial da molécula que a planta já produz.

O artigo Biosynthetic mechanism and ecological function of chirality in Solanum steroidal alkaloids pode ser lido em: nature.com/articles/s41467-026-76200-4.