Okénko do zahraničí: Bakteriální smrtící směs

24. 09. 2024 Doc. Dr. Ing. Jaroslav Salava; Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i., Praha-Ruzyně Choroby Zobrazeno 317x

Mnoho bakterií, které ničí úrodu a ohrožují naše zásobování potravinami, používá společnou strategii k vyvolání choroby, vstřikují směs škodlivých proteinů přímo do buněk rostliny.

Vědci si 25 let lámali hlavu nad tímto souborem molekul, které rostlinné patogeny používají k vyvolání choroby ve stovkách plodin po celém světě, od rýže po jabloně. Nyní, díky společnému úsilí tří spolupracujících výzkumných skupin, snad konečně mají odpověď, jak tyto molekuly způsobují onemocnění rostlin a způsob, jak je odzbrojit.

Výzkumníci studovali klíčové složky této smrtící směsi, rodinu proteinů vstřikovaných do rostlinných buněk nazývaných AvrE/DspE, které způsobují onemocnění od bakteriální skvrnitosti fazolí a bakteriální skvrnitosti rajčat až po bakteriální spálu ovocných dřevin. Již od jejich objevu na počátku 90. let 20. století je tato rodina proteinů velmi zajímavá pro ty, kteří studují choroby rostlin. Jsou to klíčové zbraně v bakteriálním arzenálu. Jejich vyřazení v laboratoři činí jinak nebezpečné bakterie neškodnými. Ale i přes úsilí trvající několik desetiletí zůstává mnoho otázek, o tom jak fungují, nezodpovězeno.

Výzkumníci identifikovali v rodině AvrE/DspE efektorů řadu proteinů, které potlačovaly imunitní systém rostlin nebo které způsobovaly tmavé skvrny nasáklé vodou na listech rostlin, což jsou první známky infekce. Dokonce znali základní sekvenci aminokyselin, které se spojily a vytvořily proteiny, jako korálky na provázku. Ale nevěděli, jak se tento řetězec aminokyselin složil do tvaru 3D, takže nemohli dobře vysvětlit, jak fungují.

Část problému spočívá v tom, že proteiny v této rodině jsou obrovské. Vzhledem k tomu, že průměrný bakteriální protein může být dlouhý 300 aminokyselin, rodina proteinů AvrE/DspE je dlouhá 2 000 aminokyselin.

Výzkumníci hledali další proteiny s podobnými sekvencemi, aby našli klíč, ale žádný se známými funkcemi se neobjevil. Obrátili se tedy na počítačový program AlphaFold2, který pomocí umělé inteligence (AI) předpovídá, jaký 3D tvar bude mít daný řetězec aminokyselin.

Vědci věděli, že někteří členové této rodiny pomáhají bakteriím vyhýbat se imunitnímu systému rostliny. Ale jejich první pohled na 3D strukturu proteinů naznačoval další roli. Když vědci poprvé viděli model, nebylo to nic podobného tomu, co si mysleli.

Výzkumníci se podívali na předpovědi AI pro bakteriální proteiny, které infikují plody včetně hrušek, jablek, rajčat a kukuřice, a všechny vykázaly podobnou 3D strukturu. Zdálo se, že se skládají do malého hřibu s válcovitou nohou podobnou slámce. Předpokládaný tvar se dobře shodoval se snímky bakteriálního proteinu, který způsobuje spálu ovocných stromů, jež byla zachycena pomocí kryoelektronového mikroskopu. Shora dolů se tento protein velice podobal duté trubici. Což přimělo vědce k myšlence, že bakterie zřejmě používají tyto proteiny k proražení díry v membráně rostlinné buňky, aby "přinutily hostitele se napít“.

Jakmile bakterie vstoupí do listů, jednou z prvních oblastí, na které narazí, je prostor mezi buňkami nazývaný apoplast. Normálně rostliny udržují tuto oblast v suchu, aby umožnily výměnu plynů pro fotosyntézu. Když je však bakterie napadnou, vnitřek listu se zavodní a vytvoří pro ně vlhké útulné útočiště, kde se mohou živit a množit. Další zkoumání předpokládaného 3D modelu pro protein spály růžovitých odhalilo, že zatímco vnější strana struktury podobné slámce je odolná vůči vodě, její duté vnitřní jádro má zvláštní afinitu k vodě.

Aby tým ověřil hypotézu vodního kanálu, spojil své síly s vědci z Duke University. Do žabích vajíček přidali genové transkripty bakteriálních proteinů AvrE a DspE, přičemž vajíčka použili jako buněčné továrny na výrobu proteinů. Vajíčka umístěná ve zředěném solném roztoku rychle nabobtnala a praskla díky příliš velkému množství vody.

Vědci se také pokusili zjistit, zda mohou tyto bakteriální proteiny odzbrojit zablokováním jejich kanálů. Zaměřili se na třídu malých sférických nanočástic nazývaných dendrimery PAMAM (polyamidoaminy). Tyto dendrimery, které se používají více než dvě desetiletí při dodávání léků, mohou být vyrobeny v laboratoři s přesnými průměry.

Vědci pracovali s hypotézou, že kdyby našli chemikálii se správným průměrem, třeba by mohli zablokovat póry. Po testování částic různých velikostí identifikovali tu, o které si mysleli, že by mohla mít přesně správnou velikost pro zablokování proteinu vodního kanálu produkovaného patogenem Erwinia amylovora způsobující bakteriální spálu růžovitých. Vzali žabí vajíčka upravená tak, aby syntetizovala tento protein a polili je nanočásticemi PAMAM a do vajíček přestala proudit voda, vajíčka neotékala. Ošetřili také rostliny huseníčku rolního (Arabidopsis thaliana) infikované patogenem Pseudomonas syringae, který způsobuje bakteriální skvrnitosti. Nanočástice blokující kanál zabránily bakteriím uchytit se a stonásobně snížily koncentrace patogenu v listech rostlin.

Sloučeniny byly také účinné proti jiným bakteriálním infekcím. Vědci udělali totéž s plody hrušní vystaveným bakteriím, které způsobují spálové onemocnění, a na ovoci se nikdy nevyvinuly příznaky, bakterie mu nezpůsobily chorobu. Tato zjištění by mohla nabídnout novou strategii ochrany proti mnoha chorobám rostlin.

Rostliny produkují 80 % potravin, které jíme. A přesto je více než 10 % celosvětové produkce potravin, plodin, jako je pšenice, rýže, kukuřice, brambory, a sója, každoročně ztraceno kvůli rostlinným patogenům a škůdcům, což stojí světovou ekonomiku neuvěřitelných 220 miliard dolarů.

Vědecký tým podal návrh na patentování tohoto vynálezu. Další krok je zjistit, jak tato ochrana funguje tím, že se vědci podrobněji podívají, jak nanočástice blokující kanál a proteiny kanálu interagují. Pokud dokáží zobrazit tyto struktury, mohou jim lépe porozumět a přijít zlepšit ochranu plodin.

Petriho miska s původcem bakteriální spály

Bakteriální spála

Hnědé listy napadené bakteriální spálou

Bakteriální spála růžovitých

Bakteriální spála na hrušni

Zdroj: Nomura K., Andreazza F., Cheng J., Dong K., Zhou P., He S.Y. (2023): Bacterial pathogens deliver water- and solute-permeable channels to plant cells. Nature.. doi: 10.1038/s41586-023-06531-5