Una misteriosa famiglia di proteine ​​microbiche dirotta l’impianto idraulico cellulare delle colture

Per 25 anni, il biologo Sheng-Yang He e il suo ricercatore Kinya Nomura si sono interrogati su questo insieme di molecole che i patogeni vegetali utilizzano per causare malattie in centinaia di colture in tutto il mondo, dal riso ai meli.

Ora, grazie al lavoro di squadra di tre gruppi di ricerca che collaborano, potrebbero finalmente avere una risposta su come queste molecole fanno ammalare le piante e un modo per disarmarle.

I risultati appaiono il 13 settembre nella rivista Natura.

I ricercatori del laboratorio He studiano gli ingredienti chiave di questo cocktail mortale, una famiglia di proteine ​​iniettate chiamate AvrE/DspE, che causano malattie che vanno dalla macchia marrone nei fagioli e dalla pagliuzza batterica nei pomodori al fuoco batterico negli alberi da frutto.

Sin dalla loro scoperta all’inizio degli anni ’90, questa famiglia di proteine ​​ha suscitato grande interesse tra gli studiosi delle malattie delle piante. Sono armi chiave nell’arsenale batterico; eliminarli in laboratorio rende innocui i batteri altrimenti pericolosi. Ma, nonostante decenni di sforzi, molte domande su come funzionano rimangono senza risposta.

I ricercatori avevano identificato una serie di proteine ​​nella famiglia AvrE/DspE che sopprimevano il sistema immunitario della pianta o che causavano macchie scure impregnate d’acqua sulle foglie di una pianta, i primi segni rivelatori di infezione. Conoscevano anche la sequenza sottostante di amminoacidi che si legavano per formare le proteine, come perline su un filo. Ma non sapevano come questa stringa di amminoacidi si piegasse in una forma 3D, quindi non potevano spiegare facilmente come funzionassero.

Parte del problema è che le proteine ​​di questa famiglia sono enormi. Considerando che una proteina batterica media potrebbe essere lunga 300 aminoacidi; Le proteine ​​della famiglia AvrE/DspE sono 2000.

I ricercatori hanno cercato altre proteine ​​con sequenze simili per trovare indizi, ma non è stata trovata nessuna con funzioni conosciute.

“Sono proteine ​​strane”, ha detto.

Quindi si sono rivolti a un programma per computer rilasciato nel 2021 chiamato AlphaFold2, che utilizza l’intelligenza artificiale per prevedere quale forma 3D assumerà una determinata stringa di amminoacidi.

I ricercatori sapevano che alcuni membri di questa famiglia aiutano i batteri a eludere il sistema immunitario della pianta. Ma il loro primo sguardo alla struttura 3D delle proteine ​​ha suggerito un ruolo aggiuntivo.

“Quando abbiamo visto il modello per la prima volta, non assomigliava a quello che avevamo pensato”, ha detto il coautore dello studio Pei Zhou, professore di biochimica alla Duke il cui laboratorio ha contribuito ai risultati.

I ricercatori hanno esaminato le previsioni dell’intelligenza artificiale per le proteine ​​batteriche che infettano i raccolti, tra cui pere, mele, pomodori e mais, e tutti hanno indicato una struttura 3D simile. Sembravano piegarsi in un minuscolo fungo con un gambo cilindrico, come una cannuccia.

La forma prevista corrispondeva bene alle immagini di una proteina batterica che causa la malattia da fuoco batterico negli alberi da frutto, catturate utilizzando un microscopio crioelettronico. Dall’alto verso il basso, questa proteina somigliava molto a un tubo cavo.

Ciò ha portato i ricercatori a pensare: forse i batteri usano queste proteine ​​per fare un buco nella membrana cellulare della pianta, per “costringere l’ospite a bere” durante l’infezione, ha detto.

Una volta che i batteri entrano nelle foglie, una delle prime aree che incontrano è uno spazio tra le cellule chiamato apoplasto. Normalmente, le piante mantengono quest’area asciutta per consentire lo scambio di gas per la fotosintesi. Ma quando i batteri invadono, l’interno della foglia si impregna d’acqua, creando un rifugio umido e accogliente dove possono nutrirsi e moltiplicarsi.

Un ulteriore esame del modello 3D previsto per la proteina del fuoco batterico ha rivelato che, mentre l’esterno della struttura simile alla paglia è resistente all’acqua, il suo nucleo interno cavo ha un’affinità speciale per l’acqua.

Per testare l’ipotesi del canale d’acqua, il team ha unito le forze con il professore di biologia della Duke Ke Dong e il co-primo autore Felipe Andreazza, un associato post-dottorato nel suo laboratorio. Hanno aggiunto le letture dei geni per le proteine ​​batteriche AvrE e DspE alle uova di rana, utilizzando le uova come fabbriche cellulari per produrre le proteine. Le uova, poste in una soluzione salina diluita, si gonfiavano rapidamente e scoppiavano per la troppa acqua.

I ricercatori hanno anche cercato di vedere se potevano disarmare queste proteine ​​batteriche bloccandone i canali. Nomura si è concentrato su una classe di minuscole nanoparticelle sferiche chiamate dendrimeri PAMAM. Utilizzati da più di due decenni nella somministrazione di farmaci, questi dendrimeri possono essere realizzati con diametri precisi in laboratorio.

“Stavamo armeggiando con l’ipotesi che se avessimo trovato il giusto diametro chimico, forse avremmo potuto bloccare il poro”, ha detto.

Dopo aver testato particelle di diverse dimensioni, ne hanno identificato una che pensavano potesse essere proprio della dimensione giusta per bloccare la proteina del canale dell’acqua prodotta dall’agente patogeno del fuoco batterico, Erwinia amylovora.

Hanno preso uova di rana progettate per sintetizzare questa proteina e le hanno cosparse con le nanoparticelle PAMAM e l’acqua ha smesso di fluire nelle uova. Non si sono gonfiati.

Hanno anche trattato piante di Arabidopsis infettate dal patogeno Pseudomonas syringae, che provoca macchie batteriche. Le nanoparticelle che bloccano i canali hanno impedito ai batteri di prendere piede, riducendo di 100 volte le concentrazioni di agenti patogeni nelle foglie delle piante.

I composti erano efficaci anche contro altre infezioni batteriche. I ricercatori hanno fatto la stessa cosa con i frutti di pera esposti ai batteri che causano la malattia da fuoco batterico, e i frutti non hanno mai sviluppato sintomi: i batteri non li hanno fatti ammalare.

“È stato un azzardo, ma ha funzionato”, ha detto. “Siamo entusiasti di questo.”

I risultati potrebbero offrire una nuova linea di attacco contro molte malattie delle piante, hanno affermato i ricercatori.

Le piante producono l’80% del cibo che mangiamo. Eppure, ogni anno più del 10% della produzione alimentare globale – colture come grano, riso, mais, patate e soia – viene persa a causa di agenti patogeni e parassiti delle piante, costando all’economia globale l’enorme cifra di 220 miliardi di dollari.

Il team ha depositato un brevetto provvisorio sull’approccio.

Il passo successivo, hanno detto Zhou e il co-primo autore Jie Cheng, un Ph.D. studente nel laboratorio di Zhou, è quello di capire come funziona questa protezione, osservando più dettagliatamente come interagiscono le nanoparticelle che bloccano i canali e le proteine ​​dei canali.

“Se riusciamo a immaginare quelle strutture, possiamo avere una migliore comprensione e elaborare progetti migliori per la protezione delle colture”, ha detto Zhou.

Questo lavoro è stato sostenuto dal National Institute of Allergy and Infectious Diseases (1R01AI155441) e dal National Institute of General Medical Sciences (GM145026), entrambi presso il National Institutes of Health, Duke Science and Technology e l’Howard Hughes Medical Institute.