Detección de espermina en hongos patógenos de género Fusarium.

Dr. Arxel de León Santillán.

Departamento de Materiales Avanzados del CIQA.

El manejo fitosanitario de los complejos ambrosiales permite la prevención y mitigación de los daños que estos pueden ocasionar en cultivos de importancia económica para México como lo son el aguacate, olivo, nuez y naranja, por lo que su introducción y dispersión en México sería catastrófica para dichos cultivos, recordemos que la participación mundial de México en la exportación de aguacate es del 32 %, siendo Michoacán el principal productor, es por eso que la mitigación, combate y erradicación de este tipo de plagas es de suma importancia. En el 2018 fue descubierto el escarabajo barrenador Kuroshio presente en California, y que forma simbiosis con los hongos Fusarium kuroshium sp. nov. y Graphium kuroshium sp. nov.,[1] está asociación provoca la enfermedad conocida como muerte regresiva de Fusarium en aguacate y otras plantas. Dada esta problemática, es de suma importancia el contar con sistemas de detección que permitan obtener información sobre la presencia de los complejos ambrosiales, lo cual ayudaría a limitar la pérdida económica para el país por su introducción y dispersión.

Las poliaminas constituyen un grupo de ubicuo y esencial de policationes alifáticos presentes en organismos, eucariotas y procariotas. En eucariotas superiores incluidos los hongos, las poliaminas más comunes son la putrescina, la espermidina, y espermina. En general, se acepta que el papel de las poliaminas es regular varios procesos biológicos conocidos y otros aún desconocidos. En los hongos, estas moléculas regulan una amplia variedad de fenómenos biológicos incluyendo el proceso de diferenciación (dimorfismo, germinación, formación de conidios, etc.).[2] También es conocido que la ruta metabólica de su síntesis difiere de la de las plantas y de una forma u otra se ha sugerido que estas mismas moléculas regulan la capacidad para infectar plantas y animales. La detección e interconversión de poliaminas resulta ser una herramienta muy útil en la detección de hongos patógenos, dada la diferencia de su síntesis con respecto a la de las plantas.

El desarrollo de sistemas ópticos para la detección de sustancias de importancia agrícola, han sido de gran utilidad gracias a su bajo costo, sensibilidad y a la alta selectividad que presentan, aunado a que no se requiere de equipos sofisticados o pretratamientos costosos como lo son las técnicas espectroscópicas y cromatografías.[3]

En específico, la preparación y uso de materiales altamente emisores como el Perileno-diimida unido mediante una amina cuaternaria a una molécula de naftaleno (BPDI),[4] puede dar lugar a la formación de autoensamblajes supramoleculares no covalentes con moléculas hospederas, incluyendo las ciclodextrinas y las cucurbit[n]urilo. En estado libre el BPDI muestra baja emisión debido a la formación de agregados y unido a la molécula anfitrión se recupera la emisión. Estas moléculas pueden ser útiles en la detección de poliaminas mediante un mecanismo molecular reversible huésped-hospedero, en específico la espermina juega un papel determinante en la competencia para ocupar un sitio en la molécula anfitrión y esto da como resultado la ausencia de emisión (ver esquema 1).

Figura 1. Esquema utilizado en la detección de espermina

En ese contexto, el uso de β-ciclodextrina como molécula anfitriona del naftaleno permite recuperar la emisión, provocada por la presencia de agregados moleculares del BPDI, por lo que el sistema cambia de apagado a encendido por la presencia de β-ciclodextrina. La Figura 2, muestra el comportamiento del sistema encendido/apagado visualizado mediante microscopia óptica de fluorescencia.

Figura 2. Microscopía óptica de fluorescencia a) BPDI (sistema apagado)

b) complejo de inclusión BPDI-β-ciclodextrina (sistema encendido)

Por otro lado, al incorporar la espermina, el sistema vuelve a cambiar a apagado por la formación del complejo de inclusión (β-ciclodextrina - espermina) y la liberación del BPDI el cual vuelve a formar agregados por las interacciones π-π del sistema, donde el anfitrión es la β-ciclodextrina y el huésped cambia del naftaleno por la espermina (ver Figura 3) en el espectro de emisión se puede observar cómo hay un aumento de la intensidad de emisión al incorporar la β-ciclodextrina (encendido) y cuando se agrega la espermina el sistema pierde intensidad de emisión (apagado) lo que permite llevar a cabo estudios de concentración de espermina.

Figura 3. Espectro de emisión de BPDI, BPDI-β-Ciclodextrina y BPDI-β-Ciclodextrina

con diferentes concentraciones de espermina (izquierda) y representación del complejo de

inclusión (β-ciclodextrina-espermina).

En la figura 4 se aprecia el sistema de detección bajo la excitación de una lámpara de UV-Vis donde el sistema se encuentra apagado (BPDI), al incorporar la β-ciclodextrina el sistema se enciende y cuando se agrega la espermina el sistema se vuelve a apagar.

Figura 4. a) BPDI, b) BPDI- β-ciclodextrina y c) BPDI- β-ciclodextrina- espermina.

Los estudios realizados por resonancia magnética nuclear, muestran desplazamientos tanto en los espectros correspondientes al BPDI β-ciclodextrina como en la espermina-β-ciclodextrina lo que indica la formación de los complejos de inclusión tanto para BPDI-β-ciclodextrina como para el sistema β-ciclodextrina-espermina. Esto da la pauta para la utilización de este sistema en la detección de espermina en hongos fusarium con la finalidad de prevenir y llevar a cabo el monitoreo de los complejos ambrosiales, así como efectuar estudios de inhibición de la actividad enzimática de la L-ornitina descarboxilasa que es la enzima limitante para el crecimiento de los hongos fusarium.

Se agradece el apoyo del CONACYT a través del proyecto FORDECYT 292399.

1. Na, F., et al., Two Novel Fungal Symbionts Fusarium kuroshium sp. nov. and Graphium kuroshium sp. nov. of Kuroshio Shot Hole Borer (Euwallacea sp. nr. fornicatus) Cause Fusarium Dieback on Woody Host Species in California. Plant Disease, 2018. 102(6): p. 1154-1164.
2. Valdés-Santiago, L., et al., Polyamine Metabolism in Fungi with Emphasis on Phytopathogenic Species. Journal of Amino Acids, 2012. 2012: p. 837932.
3. Centeno, L., et al., Green synthesis of graphene quantum dots from Opuntia sp. extract and their application in phytic acid detection. Sensing and Bio-Sensing Research, 2021. 32.
4. Chen, S., et al., Perylene Diimide-Based Fluorescent and Colorimetric Sensors for Environmental Detection. Sensors, 2020. 20(3): p. 917.