С бактериями — вредителями растений будут бороться на молекулярном уровне

Заболевания растений, вызываемые микоплазмами — патогенными микроорганизмами — трудно поддаются лечению и наносят большой ущерб сельскому хозяйству. Молодые ученые Института цитологии РАН и Казанского (Приволжского) федерального университета исследовали белки теплового шока, которые могут стать мишенью новых препаратов для борьбы с возбудителями микоплазмозов. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Результаты работы опубликованы в журнале RSC Advances, кратко о них сообщается в пресс-релизе РНФ.

Ученым известно более семисот болезней сельскохозяйственных растений, возбудителями которых служат микоплазмы — представители особого класса бактерий. У них нет клеточной стенки, а геном крайне мал даже по меркам бактерий. Одна из самых распространенных и устойчивых к стрессам микоплазм — ахолеплазма (Acholeplasma laidlawii), единственная, которая может жить без организма-хозяина. Ахолеплазма, как и ее ближайшие родственники, поражает такие растения, как рис и горох. Основные симптомы заражения: изменение в листьях и генеративных органах, израстание цветков и побегов (появление вместо одного множества цветков и побегов с искаженным развитием), изменение цвета листьев и цветков, превращение отдельных частей цветка в листовые образования, увядание, пожелтение, карликовость.

Ахолеплазма и другие микоплазмы чувствительны, например, к таким антибиотикам, как тетрациклин и гентамицин. Но эти препараты не убивают микроорганизм, а заглушают его активность. Как только атака антибиотиками прекращается, рост бактерий может возобновиться. Ахолеплазма не умирает даже в холодильнике и способна заражать порошки для приготовления питательных сред для бактерий. Поэтому подавление вызванных Acholeplasma laidlawii инфекций представляет серьезную проблему.

«Мы предположили, что мишенью при разработке высокоэффективных средств для борьбы с микоплазмами может служить так называемый малый белок теплового шока, который является ключевым элементом шаперонной, защитной, сети в микоплазме. При стрессе он вырабатывается клетками A. laidlawii в наибольшем количестве», — рассказал руководитель проекта по гранту РНФ Иннокентий Вишняков, старший научный сотрудник, руководитель группы молекулярной цитологии прокариот и бактериальной инвазии Института цитологии РАН (Санкт-Петербург).

Белки теплового шока (БТШ) необходимы для выживания при подъеме температуры окружающей среды и, соответственно, самой клетки выше оптимальной. При нагревании некоторые белки разворачиваются, теряя свою структуру, а при понижении могут свернуться обратно, но неправильно, что помешает их нормальной работе. БТШ в этой системе выполняют функции внутриклеточных помощников, задача которых — сохранить возможность восстановления структуры других белков после окончания стресса и, если это не удается, отправить «сломанный» белок на утилизацию. Малые белки теплового шока (мБТШ) при этом являются белками «скорой помощи», первыми реагирующими на стресс. Если нарушить их работу, бактерия может стать уязвимой.

Расшифровать механизм работы мБТШ A. laidlawii ученым удалось благодаря проведению ряда исследований, используя стандартные методы генной инженерии (создание генетических векторов, содержащих гены природного мБТШ и его измененных форм), молекулярного клонирования (внесения чужеродной ДНК, например тех же векторов, в клетку), аффинной хроматографии (метод очистки и разделения белков).

Чтобы посмотреть, какие именно структуры формирует белок внутри микоплазмы, его «сшивали» при помощи глутаральдегида, а потом разрушали клетки, определяя размер получившихся комплексов. Какие участки мБТШ влияют на его шаперонную функцию, ученые выясняли, сравнивая работу его природной и мутантных форм с помощью методов со-осаждения и поверхностного плазмонного резонанса. Суть первого состоит в том, чтобы «поймать» (как на удочку) белки-партнеры, взаимодействующие с исследуемым белком и связанным его носителем в колонке. Таким способом можно установить, с какими вариантами мутантных мБТШ будет взаимодействовать какой-нибудь модельный белок, и определить критически важные участки мБТШ, которые позволят ему спасать белки в клетке. Вторая методика — это измерение взаимодействий между молекулами с помощью оптических биосенсоров и отражения света от границы двух сред. То есть метод позволяет изучать белки, обладающие оптической плотностью в видимом диапазоне электромагнитного излучения.

В результате комплексного исследования малого белка теплового шока ахолеплазмы ученым стал ясен механизм его работы, и это открывает новые возможности для поиска способов его блокирования.