Атомная структура фермента гибели клеток растений открывает путь к безопасной защите урожая
Учёные из Университета Рутгерса и Брукхейвенской национальной лаборатории после 30 лет исследований получили детальное представление о внутренней структуре и механизме регуляции специализированного фермента — метакаспазы 9. Это открывает путь к созданию инструментов для защиты растений от болезней.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, основано на изучении запрограммированной гибели клеток — естественного процесса, при котором клетки целенаправленно отмирают ради здоровья всего растения.
Ключевые методы и открытия
- Используя растение Arabidopsis thaliana, учёные применили рентгеновскую кристаллографию на синхротроне NSLS-II, чтобы определить форму метакаспазы 9 на атомном уровне.
- Комбинируя данные кристаллографии с молекулярным динамическим моделированием и лабораторными экспериментами (включая сайт-направленный мутагенез), команда выяснила, как фермент активируется при повышении кислотности (снижении pH).
- Было обнаружено, что разные части фермента действуют как «тормоза» или «ускорители», обеспечивая его активность только в кислой среде.
Роль в защите растений
Метакаспаза 9 играет центральную роль в борьбе с двумя типами патогенов:
- Биотрофы (например, фитофтора Phytophthora infestans, вызвавшая картофельный голод в Ирландии) питаются живыми клетками. Активация метакаспазы 9 помогает убить заражённые клетки, лишив патоген пищи.
- Некротрофы (например, гриб Sclerotinia sclerotiorum, вызывающий белую гниль) сначала убивают клетки. Здесь фермент может быть «угнан» патогеном для ускорения гибели здоровых клеток.
Практические перспективы
- Учёные уже создали «сверхактивные варианты» (super-active variants) метакаспазы 9. Их внедрение в растения может обеспечить устойчивость к биотрофным болезням (мучнистая роса, ржавчина) за счёт ранней гибели клеток в месте вторжения.
- Понимание структуры фермента позволяет разрабатывать новые агрохимикаты, которые будут избирательно блокировать метакаспазу 9 для защиты от некротрофов, не нанося вреда животным и окружающей среде.
- Исследователи подали заявку на временный патент в Ведомство по патентам и товарным знакам США на технологии, вытекающие из этого открытия.
Значение: Работа предлагает новые, потенциально более безопасные и эффективные стратегии защиты сельскохозяйственных культур от болезней, которые, по данным Минсельхоза США, ежегодно приводят к потерям 10–20% урожая и ущербу в $100–200 млрд.