Таинственное семейство микробных белков захватывает "водопровод" клеток растений
Многие бактерии, которые опустошают посевы и угрожают продовольственной безопасности, используют общую стратегию: они вводят коктейль вредоносных белков прямо в клетки растения.
Биолог Шэн-Ян Хэ и его старший научный сотрудник Кинья Номура 25 лет изучали это семейство молекул, которые фитопатогены используют для болезней сотен культур — от риса до яблонь. Теперь, благодаря совместной работе трёх исследовательских групп, у них может быть ответ, как эти молекулы вызывают болезнь, и способ их обезвредить. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Исследователи из лаборатории Хэ изучают ключевые компоненты этого смертельного коктейля — семейство инъецируемых белков AvrE/DspE, вызывающих болезни от бурой пятнистости фасоли и бактериальной пятнистости томатов до ожога плодовых деревьев.
Это семейство белков, открытое в начале 1990-х, — ключевое оружие в арсенале бактерий; их "отключение" в лаборатории делает опасные бактерии безвредными. Но, несмотря на десятилетия усилий, оставались вопросы об их работе. Были известны их аминокислотные последовательности, но не их 3D-структура, что мешало понять механизм действия. Часть проблемы — их огромный размер: около 2000 аминокислот против ~300 у среднего бактериального белка.
Исследователи обратились к программе AlphaFold2 (2021), которая с помощью ИИ предсказывает 3D-форму цепочки аминокислот. Предсказания для белков, инфицирующих груши, яблоки, томаты и кукурузу, показали сходную структуру: они сворачиваются в подобие полого цилиндра, как соломинка.
Эта предсказанная форма хорошо совпала с изображениями, полученными с помощью крио-электронного микроскопа для белка, вызывающего ожог плодовых деревьев. Это навело на мысль, что бактерии используют эти белки, чтобы проделать отверстие в мембране клетки растения и "заставить хозяина пить" во время инфекции.
При вторжении бактерий внутрь листа создаётся влажная среда, благоприятная для их питания и размножения. Дальнейший анализ 3D-модели показал, что внешняя сторона "соломинки" водоотталкивающая, а её полая внутренняя сердцевина имеет особое сродство к воде.
Для проверки гипотезы о водном канале команда добавила гены белков AvrE и DspE в яйца лягушки, используя их как клеточные фабрики. Яйца в разбавленном солевом растворе быстро набухли и лопнули от избытка воды.
Затем исследователи попытались заблокировать эти каналы. Номура сосредоточился на классе сферических наночастиц — PAMAM дендримерах, используемых более 20 лет для доставки лекарств. После тестирования частиц разного размера они нашли ту, что, по их мнению, идеально подходила для блокировки белка-канала бактерии Erwinia amylovora (ожог).
При обработке этими наночастицами яйца лягушки, синтезирующие этот белок, перестали набухать от воды. Также они обработали растения Arabidopsis, заражённые Pseudomonas syringae (бактериальная пятнистость). Блокирующие канал наночастицы предотвратили закрепление бактерий, снизив их концентрацию в листьях в 100 раз.
Соединения были эффективны и против других инфекций. Груши, обработанные наночастицами и подвергнутые воздействию бактерий ожога, не развили симптомов болезни.
"Это был большой риск, но это сработало", — сказал Хэ.
Результаты могут предложить новую линию защиты от многих болезней растений. Растения производят 80% нашей пищи, при этом ежегодно из-за патогенов и вредителей теряется более 10% мирового производства продовольствия (пшеница, рис, кукуруза, картофель, соя), что обходится глобальной экономике в $220 млрд.
Команда подала предварительный патент на этот подход. Следующий шаг — выяснить, как работает эта защита, получив более детальную картину взаимодействия блокирующих канал наночастиц и белков-каналов.
"Если мы сможем визуализировать эти структуры, мы сможем лучше понять их и предложить более совершенные решения для защиты урожая", — сказал Чжоу.