Прорыв в борьбе с болезнями растений: новый фермент может привести к созданию антибактериальных пестицидов

Точная идентификация патогенов, вызывающих болезни растений, имеет решающее значение для целенаправленного вмешательства и снижения ущерба сельскому хозяйству. Виды Xanthomonas — опасные патогены, поражающие ключевые культуры, такие как рис, пшеница и томаты. Они усиливают свою патогенность, используя α-1,6-циклизованный β-1,2-глюкогексадеказ (CβG16α) для подавления защитных механизмов растений.

19 июня 2024 года в Journal of the American Chemical Society была опубликована работа, в которой исследователи под руководством доцента Масахиро Накадзимы из Токийского университета науки сообщили о значительном открытии. Они идентифицировали гликозидгидролазу (GH186) XccOpgD, обнаруженную в X. campestris pv campestris, которая играет ключевую роль в биосинтезе CβG16α.

«Структуры гликанов сложны и многогранны и выполняют разнообразные важные функции в природе и организмах. Ферменты синтезируют и расщепляют гликаны, демонстрируя разнообразные структуры и функции, соответствующие разнообразию гликанов. Однако наше понимание этих ферментов все еще ограничено, что стимулирует поиск новых ферментов с различным потенциалом», — поясняет профессор Накадзима.

Команда провела биохимический анализ, чтобы выяснить роль XccOpgD в биосинтезе CβG16α. Для раскрытия каталитического механизма и субстратной специфичности фермента использовались передовые методы, такие как рентгеноструктурный анализ.

Исследования показали, что XccOpgD принадлежит к семейству GH186, важному для регуляции компонентов бактериальной клеточной стенки. В отличие от первых идентифицированных ферментов GH186, XccOpgD демонстрирует беспрецедентный ферментативный механизм, известный как аномер-инвертирующая трансгликозилирование.

«Реакции типичных ферментов GH теоретически классифицируются на четыре типа по комбинации сохраняющего или инвертирующего механизма и реакции с водой (гидролиз) или сахаром (трансгликозилирование). Однако одна классификация долгое время отсутствовала в истории исследований ферментов, связанных с углеводами, и мы обнаружили эту недостающую классификацию. Этот прорыв стал возможным благодаря уникальной структурной среде, открывающей новые возможности для ферментативной гликозилирования», — объясняет профессор Накадзима.

Сахарные цепи, синтезированные с помощью этого механизма, являются важными структурами, которые различные грамотрицательные бактерии используют в природе в патогенных целях.

Детальные исследования с использованием ядерного магнитного резонанса показали, что линейный β-1,2-глюкан превращался в циклическое соединение, которое было идентифицировано как CβG16α. Структурный анализ комплекса Михаэлиса выявил ключевые остатки связывания субстрата. Было установлено, что XccOpgD использует механизм аномер-инвертирующей трансгликозилирования, где D379 и D291 играют ключевую каталитическую роль.

Эти открытия углубляют понимание и открывают пути для разработки целевых стратегий борьбы с болезнями растений, вызываемыми Xanthomonas.

«Мы ожидаем появление в будущем концепции пестицида, нацеленного на этот гомолог фермента. В отличие от фунгицидов, которые способствуют появлению устойчивых к лекарствам бактерий в почве, нацеливание на этот фермент потенциально может ингибировать патогенность, не вызывая стерилизации. Гомологи ферментов, идентифицированные в этом исследовании, могут служить многообещающими мишенями для разработки лекарств на основе структуры, предлагая потенциальное решение проблемы лекарственно-устойчивых бактерий», — говорит профессор Накадзима.

Открытие XccOpgD и его роли в биосинтезе CβG16α знаменует собой крупный прорыв в сельском хозяйстве, обещая повышение устойчивости и продовольственной безопасности при снижении воздействия на окружающую среду, связанного с обычными пестицидами.