За пределами генов: Атлас белков оценивает дуэт фиксации азота

Среди многих труднодостижимых целей сельскохозяйственной биотехнологии способность наделить небобовые растения, такие как злаки, возможностью фиксировать азот находится на самом верху списка.

Это огромная задача, поскольку бобовые вступают в симбиотический танец с бактериями, называемыми ризобиями, что позволяет растениям получать питание из воздуха и обходиться без экологически вредных химических удобрений. Этот естественный процесс лежит в основе практики севооборота, широко используемой для предотвращения истощения почвы такими культурами, как кукуруза, зависящими от внесения синтетических удобрений.

Тот факт, что два различных и очень далеких в родственном отношении организма — растение и бактерия — могут объединиться для выполнения задачи по извлечению жизненно важного азота из атмосферы, является лишь одной из проблем, с которыми сталкиваются инженеры растений, стремясь наделить этим свойством другие важные культуры.

Однако ответ на этот вызов, возможно, стал на шаг ближе с публикацией в понедельник (17 октября 2016 г.) масштабного атласа растительных и бактериальных белков, которые задействованы в процессе симбиоза между растением и микробом.

В статье в текущем номере Nature Biotechnology группа из Университета Висконсин-Мэдисон описывает более 23 000 растительных и бактериальных белков и молекулярные механизмы управления, с помощью которых они осуществляют это полезное взаимодействие. Атлас, возможно, самый исчерпывающий протеомный инвентарь на сегодняшний день, показывает в мельчайших деталях взаимодействие белков по мере колонизации ризобиями корневых клубеньков модельного бобового растения Medicago truncatula.

«Мы можем заглянуть глубже в протеом, чем когда-либо прежде», — объясняет Джошуа Кун, профессор биомолекулярной химии и химии Университета Висконсин-Мэдисон и один из авторов-корреспондентов нового атласа. «Мы можем использовать технологии, чтобы обеспечить беспрецедентный обзор этих белков».

Эта новая картина, по его словам, выводит наше понимание механики фиксации азота на беспрецедентный уровень детализации. Поскольку белки регулируются генами, новый атлас в конечном итоге может помочь разработать стратегию для переноса способности фиксировать азот у бобовых в другие растения.

«Связь белковой информации с генетическими сетями важна», — отмечает Жан-Мишель Ан, профессор бактериологии Университета Висконсин-Мэдисон, также автор-корреспондент нового отчета. «Это позволяет нам видеть закономерности, коррелируя экспрессию генов с белками».

Новый атлас был составлен с использованием мощной новой технологии масс-спектрометрии, говорит Кун, ведущий специалист по этому методу, который позволяет ученым разделять образец на множество составляющих компонентов и измерять их с исключительной детализацией. «Сложность измерения количества белков в образце ошеломляет», — говорит Кун. «Знания генов недостаточно. Существуют миллионы и миллиарды способов модификации белков, чтобы дать им новую функцию. Вся эта информация на белковом уровне нова, и мы можем глобально взглянуть на все эти молекулы, как они модифицированы, и сделать некоторые прогнозы об их функции».