Учёные из Ратгерского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории получили детальные знания о внутренней структуре и механизме регуляции специализированного белка. Они разрабатывают инструменты, которые смогут использовать его способность помогать растениям бороться с различными заболеваниями.
Работа основана на естественном процессе, когда клетки растений умирают, чтобы помочь растению-хозяину оставаться здоровым. Ожидается, что результаты исследования найдут широкое применение в сельском хозяйстве, предложив новые способы защиты основных продовольственных культур от разрушительных болезней.
В статье, опубликованной в Nature Communications, группа учёных под руководством Эрика Лама из Ратгерского университета в Нью-Брансуике и Цюнь Лю из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке сообщила, что передовые методы кристаллографии и компьютерного моделирования позволили им получить наиболее полное представление о ключевой растительной протеазе — белковом ферменте, который разрезает другие белки, известном как метакаспаза 9.
«Понимание формы и способа активации метакаспазы 9 означает, что мы можем разработать инструменты для использования её известных биологических функций для защиты растений от болезней и экологических стрессов, которые могут уничтожить урожай», — сказал Лю, биолог-структуралист из биологического факультета Брукхейвена.
Команда уже начала работу. Лам и Лю подали заявку на предварительный патент в Ведомство США по патентам и товарным знакам на технологии, которые могут быть разработаны на основе этого открытия.
«Эта работа может привести к более безопасным и эффективным методам лечения наших сельскохозяйственных культур во всём мире», — сказал Лам, заслуженный профессор кафедры биологии растений в Школе экологических и биологических наук Ратгерского университета и автор исследования.
Используя Arabidopsis thaliana, часто изучаемое растение, также известное как резуховидка Таля, исследователи применили метод, известный как рентгеновская кристаллография, в Национальном источнике синхротронного света II (NSLS-II) в Брукхейвене, чтобы выявить форму метакаспазы 9 на атомном уровне.
Зная из предыдущих исследований, что фермент активируется при повышении кислотности, они наблюдали и записывали, как фермент меняет форму при воздействии различных концентраций кислоты, чтобы выявить ключевые изменения в белке во время его активации.
Их новое сложное понимание объединяет данные кристаллографии с молекулярным моделированием динамики, также выполненным в Брукхейвене. Этот компьютерный метод позволил им наблюдать, как фермент ведёт себя и изменяется в разных условиях.
Команда также провела лабораторные эксперименты, включая сайт-специфический мутагенез — метод, используемый учёными для внесения точных изменений в определённую часть последовательности ДНК, и подтвердила важность определённых частей белка, необходимых для его активности.
Объединив эти знания, исследователи обнаружили, что разные части фермента действуют как тормоза или ускорители, чтобы гарантировать, что он будет активен только при кислом pH.
Программируемая гибель клеток
Программируемая гибель клеток — это процесс, при котором клетки намеренно умирают как часть естественного и контролируемого механизма. Это способ клетки совершить самоубийство ради блага организма. Процесс помогает удалить повреждённые или ненужные клетки, позволяя организму оставаться здоровым и правильно развиваться. В растениях программируемая гибель клеток имеет решающее значение для борьбы с болезнями и реагирования на стресс.
Работа других исследователей показала, что метакаспаза 9, которая существует в растениях, но не у животных, связана с программируемой гибелью клеток и играет центральную роль в двух основных типах болезнетворных агентов для растений.
Когда дело касается биотрофов — организмов, питающихся живыми клетками, — метакаспаза 9 помогает убивать инфицированные клетки, чтобы остановить болезнь. Но с некротрофами — организмами, убивающими клетки растений перед их поеданием, — метакаспаза 9 используется для уничтожения собственных клеток растения быстрее, что помогает захватчикам.
Исследователи считают, что усиление метакаспазы 9 может предотвратить биотрофические заболевания. Напротив, нарушение её функции означает, что фермент не будет помогать некротрофам убивать здоровые клетки.
Примером биотрофа является грибоподобный организм оомицет Phytophthora infestans, который вызвал картофельный голод в Ирландии и последовавший за ним голод в середине 1800-х годов.
«Для многих болезней растений, особенно грибковых, существует мало эффективных вариантов лечения фунгицидами, и во многих случаях экологические проблемы весьма серьёзны», — сказал Лам. «Создавая гиперактивные версии метакаспазы 9, мы можем защитить растения от этих биотрофов, вызывая гибель клеток в месте вторжения раньше, тем самым отрезая их источник питания».
Исследовательская группа сделала именно это, создав то, что Лам описал как «сверхактивные варианты» фермента, которые могут быть продуцированы генами растений, когда их побуждают к этому, и могут обеспечить новые черты устойчивости к множеству важных заболеваний, таких как мучнистая роса и ржавчина.
Серьёзное заболевание растений, известное как белая плесень, вызывается некротрофным грибковым патогеном Sclerotinia sclerotiorum, который может заражать многие культуры. Это одно из заболеваний, вызываемых грибковыми патогенами, которое может привести к ежегодным потерям урожая в размере от 10% до 20% от общего объёма. Это составляет финансовые потери в размере от 100 миллиардов до 200 миллиардов долларов каждый год для сельского хозяйства, согласно статистике, собранной Министерством сельского хозяйства США.
«Чтобы бороться с некротрофными организмами, убивающими клетки для питания, понимание того, как метакаспаза 9 изменяется на молекулярном уровне, может помочь нам создать новые агрохимикаты, которые эффективно блокируют этот фермент, не нанося вреда животным или окружающей среде», — сказал Лам. «Их можно будет использовать в сельском хозяйстве, чтобы остановить рост вредных некротрофов, что приведёт к более безопасным и эффективным методам лечения сельскохозяйственных культур по всему миру».
Другие исследователи из Ратгерского университета, которые внесли свой вклад в это исследование, включают Чжили Панга, постдокторанта кафедры биологии растений в Школе экологических и биологических наук. Хайцзяо Лю из Брукхейвенской национальной лаборатории и Макс Хендерсон из Университета Стони Брук в Нью-Йорке, аспиранты, работавшие под руководством Лю, являются соавторами статьи. Циньфан Чжан из Университета Стони Брук также внесла свой вклад в это исследование.
Предоставлено: [Rutgers University](https://phys.org/partners/rutgers-university/)