Поле сражения невидимо мало, однако ставки велики. Год за годом фитопатогены атакуют мировые сельскохозяйственные культуры, нанося ущерб на миллиарды и угрожая продовольственной безопасности. За этим хаосом стоит класс молекулярных агентов, известных как эффекторы – скрытые белки, проникающие в растительные клетки изнутри. В революционном исследовании, опубликованном в журнале eLife, ученые из Университета Лаваля в Квебеке, Канада, использовали искусственный интеллект для дешифровки механизмов действия эффекторов и обнаружили удивительное сходство у различных видов, кратко сообщает Марк Зенкевич, старший редактор Seed World Canada, в своей статье.
Данная исследовательская работа выявила глубокую молекулярную однородность среди патогенов, вызывающих разрушительные заболевания у пшеницы, кукурузы, капусты, картофеля и других сельскохозяйственных культур. И все благодаря инструменту AlphaFold2, основанному на искусственном интеллекте, который анализирует сворачивание белков – процесс, преобразующий последовательность аминокислот в определенную трехмерную структуру, обеспечивая белку выполнение своих функций. Этот процесс сворачивания имеет критическое значение для активности белка, поскольку его форма определяет способность взаимодействия с другими молекулами и выполнение предназначенных функций в клетке.
Гонка вооружений за кулисами
Эволюционная борьба между растениями и патогенами представляет собой ожесточенную гонку вооружений, где выживание зависит от скрытности. При вторжении патоген выделяет эффекторы в растительные клетки, чтобы подавить иммунные реакции и изменить обмен веществ у хозяина. В ответ растения разрабатывают рецепторы для обнаружения и противодействия инфекции.
Итог? Быстрая мутация, непрерывная адаптация и огромное разнообразие последовательностей эффекторов, многие из которых трудно выявить с помощью традиционной геномики. Но что, если эволюция не просто заключается в генетических последовательностях, а скрыта в формах?
«Эффекторные белки быстро меняются, чтобы избежать обнаружения, – отмечает Перес-Лопес. – Однако их функциональность всё еще обусловлена определенными трехмерными структурами. И здесь нам на помощь приходит AlphaFold».
Проведя анализ секретомов – полного набора экскреционных белков – нескольких ключевых фитопатогенов, исследователи сгруппировали сотни эффекторов на основе структурных аналогий. В результате была создана новая молекулярная таксономия, в которой форма играла более существенную роль, чем последовательность.
Среди наиболее удивительных открытий выделяется огромный набор эффекторов, не имеющих генетической связи, но обладающих структурным сходством. Несмотря на отсутствие генетического родства, данные белки принимали практически идентичные формы, указывая на конвергентную эволюцию в направлении общих патогенных стратегий.
Получается, различные патогены, поражающие различные культуры, могут использовать одни и те же стратегии проникновения в клетки хозяев.
Исследование раскрыло особый тип эффектора, являющийся характерным при нескольких важных растительных заболеваниях. Он обладает складкой, напоминающей нуклеозидгидролазы – ферменты, регулирующие энергетический обмен – и присутствует у грибов, оомицетов и простейших организмов.
Другой класс белков, обогащенный анкириновыми повторами (модулями в белках), значительно расширен у галлообразующих простейших (вызывающих аномальный рост растительных тканей), что указывает на их уникальную роль в манипулировании развитием хозяина для образования опухолевидных галлов.
«Эти белки не случайны, – дополняет Лопес. – Они представляют собой тщательно спланированные молекулярные инструменты, и некоторые из них общие для нескольких царств жизни».
До последнего времени большинство исследований структур сосредоточено на патогенных грибах, обладающих изученными геномами и ясно выраженными экономическими последствиями. Однако простейшие оставались вне поля зрения, особенно облигатные биотрофы, такие как P. brassicae (вызывающий болезнь килы). Эти микроорганизмы не могут быть выращены в лабораторных условиях, их генетическая трансформация затруднена, а их секретомы содержат недоизученные белки. Это делает их отличными кандидатами для глубокого анализа с применением искусственного интеллекта.
И не только формы имеют значение. Новая функция Multimer AlphaFold2 даже способна моделировать взаимодействия белка с белком, показывая, как эффекторы могут связываться с растительными ферментами, такими как хитиназы и протеазы, возможно, блокируя основные иммунные ответы.
«AlphaFold не только прогнозирует структуры, но и позволяет нам выводить гипотезы о функциях, – отмечает Лопес. – Это меняет правила игры».
По мере увеличения климатических изменений и распространения патогенов на новые территории сельскохозяйственные культуры становятся более уязвимыми, чем когда-либо. Однако понимание структуры эффекторов открывает путь к разработке устойчивости – к созданию сельскохозяйственных культур с иммунными рецепторами, точно настроенными на распознавание этих скрытых угроз. Кроме того, это намекает на новые методы разработки диагностических средств, использование биологических контрмер или разработку малых молекул, способных нейтрализовать эффекторы до того, как они нанесут вред.
Путем раскрытия общей молекулярной логики, лежащей в основе заболеваний сельскохозяйственных культур, это исследование предоставляет сельскому хозяйству давно необходимое – преимущество.
«Представьте себе это как расшифровку секретного языка противника. И теперь, зная грамматику, мы, наконец, можем начать изменять правила игры», – заключает Лопес.
Помимо Лопеса, в проведение исследований также были вовлечены постдок Сохам Мукхопадхай и кандидаты наук Мухаммад Асим Джавед и Цзясюй Ву.
Источник: Seed World Canada. Автор: Марк Зенкевич, старший редактор Seed World Canada.
