Araştırmacılar, AvrE/DspE adlı bazı zararlı bakteriyel proteinlerin, bitkilerin bağışıklık sistemlerini baskılayarak mahsullerde nasıl hastalıklara neden olduğunu belirledi. Ekip, AI tahminlerini kullanarak, bu proteinlerin bitkilerde enfeksiyonlara yol açan kanallar oluşturduğunu buldu; ancak aynı zamanda bu kanalları tıkayarak bakterilerin zarar vermesini etkili bir şekilde önleyebilen nanopartiküller de keşfetti; bu, küresel ekonomiyi yılda 220 milyar dolarlık bitki hastalıklarından kurtarabilir. .
Duke Üniversitesi’nden araştırmacılar, bunları etkisiz hale getirecek ve potansiyel olarak yıllık 220 milyar dolarlık tarımsal kaybı önleyecek bir yöntem bulmuş olabilir.
Ekinlere zarar veren ve yiyecek tedarikimizi tehdit eden bakterilerin çoğu Hastalığı teşvik etmek için ortak bir taktik kullanırlar: Zararlı proteinlerden oluşan bir kokteyli doğrudan bitkinin hücrelerine enjekte ederler.
Biyolog Sheng-Yang He ve onun kıdemli araştırma ortağı Kinya Nomura, 25 yıldır bu molekül grubunu araştırıyorlar. Bu bitki patojenleri, pirinçten elma bahçelerine kadar dünya çapında yüzlerce üründe hastalıklara neden olmak için kullanıyor.
Artık, iş birliği yapan üç araştırma grubu arasındaki ekip çalışması sayesinde, sonunda bu moleküllerin bitkileri nasıl oluşturduğuna dair bir cevaba sahip olabilirler. hasta — ve onları silahsızlandırmanın bir yolu.
Bulgular 13 Eylül’de Nature dergisinde yayınlandı.
He laboratuvarındaki araştırmacılar, enjekte edilmiş protein ailesinden oluşan bu ölümcül kokteylin temel bileşenlerini inceliyor. AvrE/DspE olarak adlandırılan, fasulyelerdeki kahverengi lekelerden ve domateslerdeki bakteri lekelerinden, meyve ağaçlarındaki ateş yanıklığına kadar çeşitli hastalıklara neden olan bu protein ailesi, 1990’ların başlarında keşfedilmelerinden bu yana büyük ilgi görmüştür. Bitki hastalıklarını inceleyenlere. Bunlar bakteri cephaneliğindeki anahtar silahlardır; onları laboratuvarda bayıltmak, normalde tehlikeli olan bakterileri zararsız hale getirir. Ancak onlarca yıldır süren çabalara rağmen, nasıl çalıştıklarına ilişkin pek çok soru yanıtsız kalıyor.
Araştırmacılar, AvrE/DspE ailesinde, bitkinin bağışıklık sistemini baskılayan veya koyu renkli, suya batırılmış lekelere neden olan bir dizi protein tespit etmişti. bir bitkinin yapraklarında enfeksiyonun ilk belirtileri. Hatta bir ip üzerindeki boncuklar gibi, proteinleri oluşturmak üzere bağlanan amino asitlerin temel dizilimini bile biliyorlardı. Ancak bu amino asit dizisinin nasıl 3 boyutlu bir şekle katlandığını bilmiyorlardı, dolayısıyla nasıl çalıştıklarını kolayca açıklayamıyorlardı.
Sorunun bir kısmı da bu ailedeki proteinlerin çok büyük olmasıdır. Ortalama bir bakteri proteini 300 amino asit uzunluğunda olabilirken; AvrE/DspE ailesi proteinlerinin sayısı 2000’dir.
Araştırmacılar ipucu bulmak için benzer dizilere sahip başka proteinler aradılar, ancak bilinen herhangi bir işlevi olan hiçbir şey ortaya çıkmadı.
“Bunlar tuhaf proteinler” Dedi.
Bunun üzerine, 2021’de piyasaya sürülen AlphaFold2 adında, belirli bir amino asit dizisinin hangi 3 boyutlu şekli alacağını tahmin etmek için yapay zekayı kullanan bir bilgisayar programına yöneldiler.
{ 13}DspE adı verilen bakteriyel bir proteinin bilgisayar tarafından oluşturulan 3 boyutlu haritaları, onun saman benzeri şeklini ortaya koyuyor. Kredi: Duke Üniversitesi
Araştırmacılar, bu ailenin bazı üyelerinin bakterilerin bitkinin bağışıklık sisteminden kaçmasına yardımcı olduğunu biliyordu. Ancak proteinlerin 3 boyutlu yapısına ilk bakışları, ek bir rol olduğunu düşündürdü.
Araştırmanın ortak yazarı, bilim profesörü Pei Zhou, “Modeli ilk gördüğümüzde, hiç de düşündüğümüz gibi değildi” dedi. Laboratuvarı bulgulara katkıda bulunan Duke’taki biyokimya.
Araştırmacılar, armut, elma, domates ve mısır gibi mahsulleri etkileyen bakteriyel proteinlere ilişkin yapay zeka tahminlerini incelediler ve hepsi benzer bir 3 boyutlu yapıya işaret etti. Pipet gibi silindirik saplı minik bir mantar şeklinde katlanmış gibi görünüyorlardı.
Tahmin edilen şekil, meyve ağaçlarında ateş yanıklığı hastalığına neden olan bir bakteriyel proteinin, kriyoterapi kullanılarak yakalanan görüntüleriyle çok iyi eşleşiyordu. elektron mikroskobu. Yukarıdan aşağıya bakıldığında, bu protein içi boş bir tüpe benziyordu.
Bu durum araştırmacıların şunu düşünmesine neden oldu: Belki de bakteriler bu proteinleri bitki hücre zarında bir delik açmak, “konağı bir içki içmeye zorlamak” için kullanıyor olabilir ” enfeksiyon sırasında dedi.
Bakteriler yapraklara girdiğinde ilk karşılaştıkları alanlardan biri apoplast adı verilen hücreler arasındaki boşluktur. Normalde bitkiler fotosentez için gaz alışverişini sağlamak amacıyla bu alanı kuru tutar. Ancak bakteriler istila ettiğinde yaprağın içi suyla dolar ve beslenmeleri ve çoğalmaları için nemli, rahat bir sığınak oluşturur.
Ateş yanıklığı proteini için tahmin edilen 3 boyutlu modelin daha ayrıntılı incelenmesi, yaprağın dışının su ile dolup taştığını ortaya çıkardı. saman benzeri yapı suya dayanıklıdır ve içi boş iç çekirdeğinin suya karşı özel bir ilgisi vardır.
Su kanalı hipotezini test etmek için ekip, Duke biyoloji profesörü Ke Dong ve ortak ilk yazarla güçlerini birleştirdi. Felipe Andreazza, laboratuvarında doktora sonrası araştırma görevlisi. Yumurtaları protein üretimi için hücresel fabrikalar olarak kullanarak kurbağa yumurtalarına AvrE ve DspE bakteri proteinleri için gen okumalarını eklediler. Seyreltik bir tuzlu su çözeltisine yerleştirilen yumurtalar, çok fazla su nedeniyle hızla şişti ve patladı.
Araştırmacılar ayrıca, kanallarını tıkayarak bu bakteriyel proteinleri etkisiz hale getirip getiremeyeceklerini de görmeye çalıştı. Nomura, PAMAM dendrimerleri adı verilen küçük küresel nanopartiküller sınıfına odaklandı. İlaç dağıtımında yirmi yılı aşkın süredir kullanılan bu dendrimerler, laboratuvarda hassas çaplarda üretilebiliyor.
“Doğru çaptaki kimyasalı bulursak belki de gözeneği tıkayabileceğimiz hipotezi üzerinde çalışıyorduk. ,” dedi.
Farklı boyutlardaki parçacıkları test ettikten sonra, ateş yanıklığı patojeni Erwinia amylovora tarafından üretilen su kanalı proteinini engellemek için tam olarak doğru boyutta olabileceğini düşündükleri bir tane belirlediler.
{8 }Bu proteini sentezlemek üzere tasarlanmış kurbağa yumurtalarını aldılar ve üzerlerine PAMAM nanopartikülleri döktüler ve yumurtaların içine su akışı durduruldu. Şişmediler.
Ayrıca bakteriyel beneklere neden olan Pseudomonas syringae patojeniyle enfekte olmuş Arabidopsis bitkilerini de tedavi ettiler. Kanalları tıkayan nanopartiküller bakterilerin tutunmasını önleyerek bitkilerin yapraklarındaki patojen konsantrasyonunu 100 kat azalttı.
Bileşikler diğer bakteriyel enfeksiyonlara karşı da etkiliydi. Araştırmacılar aynı şeyi, ateş yanıklığı hastalığına neden olan bakterilere maruz bırakılan armut meyveleri için de yaptılar ve meyvelerde hiçbir zaman semptom gelişmedi; bakteriler onları hasta etmedi.
“Uzun bir ihtimaldi ama çalıştı” dedi. “Bundan heyecan duyuyoruz.”
Araştırmacılar, bulguların birçok bitki hastalığına karşı yeni bir saldırı hattı sunabileceğini söyledi.
Bitkiler, Gıdanın %80’ini üretiyor{ 10} yiyoruz. Ancak yine de her yıl küresel gıda üretiminin %10’dan fazlası (buğday, pirinç, mısır, patates ve soya fasulyesi gibi ürünler) bitki patojenleri ve zararlılar yüzünden kayboluyor ve bu da küresel ekonomiye çok büyük bir maliyete mal oluyor. 220 milyar dolar.
Ekip, bu yaklaşım için geçici bir patent başvurusunda bulundu.
Zhou ve ortak yazarlardan Ph.D. Jie Cheng, bir sonraki adımın atılacağını söyledi. Zhou’nun laboratuvarındaki öğrenci, kanalı bloke eden nanopartiküller ile kanal proteinlerinin nasıl etkileşime girdiğine daha ayrıntılı bir göz atarak bu korumanın nasıl çalıştığını anlayacaktır.
“Eğer bu yapıları görüntüleyebilirsek, bir sonuca sahip olabiliriz. Zhou, bitki koruma için daha iyi anlayış ve daha iyi tasarımlar ortaya çıkar, dedi.
Referans: “Bakteriyel patojenler, bitki hücrelerine su ve çözünen madde geçirgen kanallar sağlar” Yazan: Kinya Nomura, Felipe Andreazza, Jie Cheng, Ke Dong, Pei Zhou ve Sheng Yang He, 13 Eylül 2023, Doğa.
DOI: 10.1038/s41586-023-06531-5
Çalışma, Ulusal Bilimler Enstitüsü tarafından finanse edildi. Alerji ve Bulaşıcı Hastalıklar ve Ulusal Genel Tıp Bilimleri Enstitüsü, Ulusal Sağlık Enstitüleri, Duke Bilim ve Teknoloji ve Howard Hughes Tıp Enstitüsü’nde.