Reconstrucción de un modelo metabólico a escala genómica de Moniliophthora roreri : Hongo causante de la moniliasis en el cacao

Abstract

RESUMEN: La moniliasis en Theobroma cacao es causada por el hongo hemibiotrófico Moniliophthora roreri. La enfermedad comienza cuando los conidios de M. roreri aterrizan en la superficie de las vainas sanas de la planta. Luego germinan y penetran directamente a través de la epidermis. La fase biotrófica de la enfermedad se da durante los primeros 30 días posteriores a la infección, M. roreri crece de manera silenciosa por lo que la vaina no presenta sintomatología alguna. Una vez transcurrido este lapso, comienza la transición a la fase necrotrófica, esta puede durar hasta 90 días posteriores a la infección. M. roreri se prepara para consumir todos los metabolitos producidos por las células de la planta, por lo que es característica la aparición de manchas, tumores, clorosis y posteriormente necrosis en la vaina. Al final de la fase necrotrófica M. roreri produce hasta 44 millones de conidios/cm^2 y la superficie de la vaina empieza a tornarse blanca. La similitud que tienen los conidios con la escarcha, es la razón por la que a la moniliasis también se le conoce como podredumbre helada. La endemia particular de la moniliasis junto con las altas pérdidas económicas en el hemisferio occidental, y la incapacidad de estudiar a M. roreri en condiciones in vitro, han incitado la búsqueda de nuevas herramientas que permitan dilucidar la naturaleza patogénica del hongo. Es aquí donde la biología de sistemas plantea una alternativa sumamente viable para el estudio del metabolismo de hongos fitopatógenos, los modelos metabólicos a escala genómica. Estos modelos poseen una alta plasticidad y permiten la integración de datos multiómicos, lo que los convierte en una herramienta confiable para obtener y evaluar los requerimientos bioquímicos de las células de M. roreri simulando múltiples condiciones de crecimiento, reacciones/genes esenciales asociadas al contexto específico de crecimiento y posibles blancos terapéuticos para tratar la moniliasis. En esta tesis, se presenta iGG1154, el primer modelo metabólico a escala genómica que contiene el conocimiento bioquímico de Moniliophthora roreri. Este modelo fue curado, contextualizado con datos transcriptómicos y utilizado para identificar reacciones y genes esenciales que afectan el crecimiento del hongo. Los resultados de la simulación arrojaron como mejor blanco metabólico a la enzima fosfomevalonato quinasa (PMK), una enzima esencial para el metabolismo de lípidos del hongo. La simulación 3D de esta enzima, junto con una lista de 41 posibles inhibidores fue sometida a un proceso de docking molecular que permitió identificar a los siguientes tres (3) compuestos 3-[[5-(3-oxidanyl propyl)-4-phenyl-1,2,4-triazol-3-yl]sulfanyl methyl]benzene carbonitrile (3BN), Ethyl 3-(4,6-25 dimethyl-3-oxo-2-phenylpyrazolo[3,4-b]pyridin-1-yl)propanoate (E3P) y 2-Cyano-N-cyclohexyl-2-(3-piperidin-1-ylquinoxalin-2-yl)acetamide (2CA) como los mejores candidatos para el tratamiento de la moniliasis.

ABSTRACT: Moniliasis (frosty pod rot) in Theobroma cacao is caused by the hemibiotrophic fungus Moniliophthora roreri. The disease begins when the conidia of M. roreri land on the surface of the healthy pods of the plant. They then germinate and penetrate directly through the epidermis. The biotrophic phase of the disease occurs during the first 30 days after infection, M. roreri grows silently so the pod does not present any symptoms. Once this period has elapsed, the transition to the necrotrophic phase begins, this can last up to 90 days after infection. M. roreri prepares itself to consume all the metabolites produced by the plant cells, which is why the appearance of spots, tumors, chlorosis and later necrosis in the pod is characteristic. At the end of the necrotrophic phase, M. roreri produces up to 44 million conidia / cm ^ 2 and the surface of the sheath begins to turn white. The similarity that conidia have with frost is the reason why moniliasis is also known as frost rot. The particular endemic of moniliasis, together with the high economic losses in the western hemisphere, and the inability to study M. roreri under in vitro conditions, have prompted the search for new tools that allow elucidating the pathogenic nature of the fungus. It is here where systems biology presents a highly viable alternative for the study of the metabolism of phytopathogenic fungi, genome-scale metabolic models. These models have high plasticity and allow the integration of multimic data, which makes them a reliable tool to obtain and evaluate the biochemical requirements of M. roreri cells by simulating multiple growth conditions, essential reactions / genes associated with the specific context. growth and potential therapeutic targets to treat moniliasis. In this thesis, iGG1154 is presented, the first genome-scale metabolic model that contains the biochemical knowledge of Moniliophthora roreri. This model was curated, contextualized with transcriptomic data, and used to identify essential genes and reactions that affect fungal growth. The results of the simulation showed the enzyme phosphomevalonate kinase (PMK), an essential enzyme for lipid metabolism of the fungus, as the best metabolic target. The 3D simulation of this enzyme, together with a list of 41 possible inhibitors, was subjected to a molecular docking process that allowed the identification of the following three (3) compounds 3 - [[5- (3-oxidanyl propyl) -4-phenyl -1,2,4-triazol-3-yl] sulfanyl methyl] benzene carbonitrile (3BN), Ethyl 3- (4,6-25 dimethyl-3-oxo-2-phenylpyrazolo [3,4-b] pyridin-1 -yl) propanoate (E3P) and 2-Cyano-N-cyclohexyl-2- (3-piperidin-1-ylquinoxalin-2-yl) acetamide (2CA) as the best candidates for the treatment of moniliasis.