эксклюзив
Многие из бактерий, которые уничтожают сельхозкультуры и угрожают нашим запасам продовольствия, используют общую стратегию, вызывая болезни: они вводят коктейль вредных белков непосредственно в клетки растения. Теперь исследователи открыли новую стратегию противодействия и запатентовали процесс, основанные на опрыскивании специальными блокировочными наночастицами.
Об этом сообщает пресс-служба Университета Дьюка, США, в релизе. В течение 25 лет биолог Шэн-Ян Хэ и его старший научный сотрудник Кинья Номура ломали голову над сложным набором молекул, которые патогены растений используют, чтобы вызывать заболевания сотен сельскохозяйственных культур по всему миру, от риса до яблони, бобовых и томатов. Теперь, благодаря командным усилиям трех сотрудничающих исследовательских групп, они нашли ответ на вопрос, как эти молекулы вызывают заболевания растений и чем их обезвредить. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Ученые исследовали ключевые ингредиенты смертоносного для растений коктейля — семейства инъецируемых белков под названием AvrE/DspE. С момента своего открытия в начале 1990-х годов это семейство белков представляло большой интерес для фитопатологов. Ведь это семейство белков является ключевым оружием в бактериальном арсенале, а уничтожение их в лаборатории делает опасные в противном случае бактерии безвредными.
Исследователи идентифицировали ряд белков семейства AvrE/DspE, которые подавляли иммунную систему растения или вызывали пятнистости листьев — первые явные признаки инфекции. Ученые даже определили основную последовательность аминокислот, соединяющихся в белки, как бусинки на нитке. Но они не знали, как эта цепочка аминокислот складывается в трехмерную форму, поэтому не могли легко объяснить, как они работают.
Частично проблема в том, что белки этого семейства огромны. В то время как средний бактериальный белок может состоять из 300 аминокислот; в белках семейства AvrE/DspE аминокислот насчитывается 2000.
Ученые искали другие белки с похожими последовательностями в поисках подсказок, но ни один из них с какими-либо известными функциями не обнаружен. В конце концов, на помощь пришла программа AlphaFold2, выпущенная в 2021 году. Программа использует искусственный интеллект , чтобы предсказать, какую трехмерную форму примет данная строка аминокислот.
Исследователи знали, что некоторые представители этого семейства помогают бактериям уклоняться от иммунной системы растения. Но их первое знакомство с трехмерной структурой белков позволило предположить наличие дополнительной роли.
«Когда мы впервые увидели модель, она оказалась совсем не такой, как мы думали», — рассказывает соавтор исследования Пей Чжоу, профессор биохимии в Университете Дьюка, чья лаборатория внесла свой вклад в полученные результаты.
Исследователи изучили прогнозы ИИ для бактериальных белков, поражающих сельхозкультуры, включая грушу, яблоню, помидоры и кукурузу, и все они указали на схожую трехмерную структуру — крошечный гриб с цилиндрической ножкой, напоминающей соломинку.
Предсказанная форма хорошо совпадала с изображениями бактериального белка, вызывающего бактериальный ожог фруктовых деревьев, которые были получены с помощью криоэлектронного микроскопа. Сверху вниз этот белок очень напоминал полую трубку.
Это заставило ученых задуматься: возможно, бактерии используют эти белки, чтобы пробить дыру в мембране растительной клетки и заставить «выпить» патоген во время заражения.
Когда бактерии проникают в листья, одной из первых областей, с которыми они сталкиваются, является пространство между клетками, называемое апопластом. Обычно растения поддерживают эту область сухой, чтобы обеспечить газообмен для фотосинтеза. Но когда бактерии проникают, внутренняя часть листа становится переувлажненной, создавая для них влажную и уютную гавань, где можно питаться и размножаться.
Дальнейшее изучение предсказанной 3D-модели белка возбудителя бактериального ожога показало, что, хотя внешняя часть соломинообразной структуры является водостойкой, ее полое внутреннее ядро имеет особое сродство к воде.
Для проверки гипотезы о водном канале команда объединила усилия с профессором биологии Ке Донгом и соавтором работы Фелипе Андреацца. Те добавили данные генов бактериальных белков AvrE и DspE в яйца лягушек, используя яйца в качестве клеточных фабрик по производству белков. Яйца, помещенные в разбавленный солевой раствор, быстро раздулись и лопнули от слишком большого количества воды.
Исследователи также попытались выяснить, можно обезвредить эти бактериальные белки, заблокировав их каналы. Номура сосредоточился на классе крошечных сферических наночастиц, называемых PAMAM-дендримерами. Эти дендримеры, используемые более двух десятилетий для доставки лекарств, могут быть изготовлены с точным диаметром в лаборатории.
«Мы экспериментировали с гипотезой, что если мы найдем химическое вещество нужного диаметра, возможно, мы сможем заблокировать каналы», — сказал Номура.
После тестирования частиц разного размера ученые определили одну, которая, по их мнению, могла быть подходящего размера для блокирования водных каналов белка, вырабатываемого возбудителем бактериального ожога Erwinia amylovora. И снова взяли яйца лягушек , предназначенные для синтеза этого белка, облили их наночастицами PAMAM, и вода перестала поступать в яйца. Они не разорвались.
Далее исследователи также обрабатывали растения арабидопсиса, зараженные возбудителем Pseudomonas syringae, вызывающим бактериальную пятнистость. Наночастицы, блокирующие каналы, предотвращали распространение бактерий, снижая концентрацию патогенов в листьях растений в 100 раз.
Соединения оказались эффективны и против других бактериальных инфекций – бактериального ожога груши, и у плодов не появлялись симптомы — бактерии не вызывали заболевания.
По словам исследователей, полученные результаты могут предложить новую линию борьбы со многими болезнями растений. Команда подала предварительный патент на этот способ.
(Источник и графика: Duke University. На изображении вы видите созданную компьютер 3D-карту бактериального белка под названием DspE, она показывают его форму, напоминающую соломинку).
