Многие из бактерий, которые наносят ущерб посевам и угрожают нашим запасам продовольствия, используют общую стратегию, чтобы вызвать болезнь: они вводят комбинации вредных белков непосредственно в растительные клетки. В течение 25 лет биолог Шэньян Хэ и его старший научный сотрудник Шинья Номура изучали набор молекул, которые патогены растений используют, чтобы вызывать болезни сотен сельскохозяйственных культур по всему миру, от риса до яблоневых садов.
Теперь три совместные исследовательские группы наконец нашли ответы на вопрос, почему эти молекулы вызывают болезни растений, а также способы их устранения.
Соответствующие результаты исследования были опубликованы в журнале Nature 13 сентября.
Исследователи в лаборатории изучают ключевые ингредиенты этого смертельного коктейля — семейство инъецируемых белков под названием AvrE/DspE, которые вызывают самые разные заболевания — от коричневой пятнистости на фасоли до бактериальной пятнистости томатов и бактериального ожога фруктовых деревьев.
С момента его открытия в начале 1990-х годов люди, изучающие болезни растений, проявили большой интерес к этому семейству белков. Они являются ключевым оружием в бактериальном арсенале; устранение их в лаборатории может сделать опасные бактерии безвредными. Но, несмотря на десятилетия усилий, многие вопросы о том, как они работают, остаются без ответа.
Исследователи обнаружили, что многие белки семейства AvrE/DspE могут подавлять иммунную систему растения или образовывать черные пятна на листьях растений, что является первым признаком инфекции. Они даже знают основную последовательность аминокислот, которые соединяются вместе, как бусинки на нитке, образуя белки. Но они не знали, как цепочка аминокислот складывается в трехмерную форму, поэтому не могли легко объяснить, как они работают.
Частично проблема в том, что белки этого семейства очень велики. Общие бактериальные белки могут содержать только 300 аминокислот, тогда как белки семейства AvrE/DspE содержат 2000 аминокислот.
В поисках подсказок исследователи искали другие белки с похожими последовательностями, но не нашли ни одного с известной функцией.
«Это странные белки», — сказал он. Поэтому они обратились к компьютерной программе AlphaFold2, выпущенной в 2021 году, которая использует искусственный интеллект для предсказания трехмерной формы заданной цепочки аминокислот.
Исследователи знают, что некоторые представители этого семейства помогают бактериям скрываться от иммунной системы растения. Но когда они впервые увидели трехмерную структуру белка, они обнаружили еще одну роль.
«Когда мы впервые увидели эту модель, она полностью отличалась от того, что мы себе представляли», — сказал соавтор исследования Пей Чжоу, профессор биохимии в Университете Дьюка.
Исследователи изучили предсказания ИИ о бактериальных белках, которые заражают такие культуры, как груши, яблоки, помидоры и кукуруза, и обнаружили, что все они имеют схожие трехмерные структуры. Они кажутся складывающимися в небольшой гриб с цилиндрической ножкой, похожий на соломинку.
Предсказанная форма точно соответствовала изображениям, полученным с помощью криоэлектронной микроскопии бактериального белка, вызывающего бактериальный ожог фруктовых деревьев. Если смотреть сверху вниз, белок очень похож на полую трубку.
Это заставило исследователей задуматься: возможно, бактерии используют эти белки, чтобы пробивать дыры в мембранах растительных клеток и «заставлять хозяина пить воду» во время процесса заражения.
Когда бактерии проникают в лист, одной из первых областей, с которой они вступают в контакт, является пространство между клетками, называемое цитоплазмой. Обычно растения поддерживают эту область сухой, чтобы обеспечить газообмен, необходимый для фотосинтеза. Но когда бактерии проникают в листья, вода скапливается внутри листьев, создавая для них влажный и комфортный рай для питания и размножения.
Дальнейшее изучение предсказанной трехмерной модели белка бактериального ожога показало, что, хотя внешняя часть соломинообразной структуры является водостойкой, ее полая сердцевина имеет особое сродство к воде.
Чтобы проверить гипотезу о водном канале, исследовательская группа сотрудничала с профессором биологии Университета Дьюка Донг Ке и постдоком его лаборатории и соавтором Фелипе Андреацца. Они добавили генетические данные о бактериальных белках AvrE и DspE в яйца лягушек, используя яйца в качестве клеточных фабрик по производству этих белков. Поместите яйца лягушки в разбавленный физиологический раствор. Слишком много воды приведет к тому, что яйца быстро набухнут и разорвутся.
Исследователи также пытались разблокировать эти бактериальные белки, блокируя их каналы. Номура сосредоточился на типе крошечных сферических наночастиц, называемых ПАМАМ-дендримерами. Такие дендримеры используются для доставки лекарств уже более двух десятилетий, и в лаборатории их можно превратить в частицы точного диаметра.
«Наша гипотеза заключалась в том, что если мы найдем химические вещества нужного диаметра, мы сможем закупорить поры», — сказал он.
После тестирования частиц разных размеров они обнаружили одну, которая, по их мнению, была подходящего размера, чтобы блокировать аквапорины, вырабатываемые возбудителем бактериального ожога Erwiniaamylovora.
Они взяли яйца лягушек, способные синтезировать этот белок, и полили их наночастицами ПАМАМ, чтобы вода больше не поступала в яйца лягушки. Они не набухают.
Они также обрабатывали растения арабидопсиса, зараженные возбудителем Pseudomonas syringae, вызывающим бактериальные пятна. Наночастицы, блокирующие каналы, остановили рост бактерий, снизив концентрацию патогенов в листьях растений до 100 раз.
Эти соединения также эффективны против других бактериальных инфекций. Исследователи провели тот же эксперимент на плодах груш, которые подверглись воздействию бактерии, вызывающей бактериальный ожог, но у плодов никогда не проявлялись симптомы — бактерии не вызывали у них заболевания.
«Это был долгий процесс, но он сработал», - сказал он. «Мы очень рады этому».
Исследователи говорят, что полученные результаты могут дать новые идеи для борьбы со многими болезнями растений. 80% пищи, которую мы едим, производится растениями. Однако более 10% мирового производства продуктов питания – таких культур, как пшеница, рис, кукуруза, картофель и соевые бобы – ежегодно теряется из-за фитопатогенов и вредителей, что обходится мировой экономике в 220 миллиардов долларов.
Исследовательская группа подала заявку на предварительный патент на этот метод. Следующим шагом будет выяснить, как работает эта защита, более подробно рассмотрев, как взаимодействуют наночастицы, блокирующие каналы, и белки каналов, говорят Чжоу и соавтор Цзе Ченг, аспирант лаборатории Чжоу.
«Если мы сможем представить себе эти структуры, мы сможем лучше понять и разработать более эффективные решения для защиты растений», — сказал Чжоу.