Publikacja autorstwa naukowców z Instytutu Biotechnologii Molekularnej i Przemysłowej – mgr inż. Macieja Nielipińskiego, dr inż. Agnieszki Pietrzyk-Brzezińskiej oraz dr. hab. inż. Bartosza Sekuły – została uhonorowana przez Komitet Krystalografii PAN prestiżowym tytułem „Diament Krystalograficzny” w kategorii krystalografia biologiczna i medyczna. W tym artykule autorzy przedstawiają wyniki swoich badań oraz wyjaśniają ich znaczenie.
Wojna o plony
Współczesne rolnictwo stoi przed wieloma wyzwaniami, które co roku powodują znaczne straty w plonach. Gwałtowne zmiany klimatyczne sprzyjają nie tylko częstszym klęskom żywiołowym, ale również rozprzestrzenianiu się chorób roślin i szkodników. Środki ochrony roślin są niezbędne dla utrzymania zdrowych i obfitych plonów, jednak ich stosowanie wymaga odpowiedniej wiedzy i ostrożności, aby minimalizować negatywny wpływ na środowisko, ludzi oraz organizmy pożyteczne.
Coraz większym problemem stają się także chwasty odporne na dotychczas stosowane herbicydy. W efekcie wiele popularnych preparatów traci skuteczność lub jest wycofywana z rynku ze względów bezpieczeństwa.
Te wyzwania stały się motywacją do rozpoczęcia badań nad niescharakteryzowanymi dotąd szlakami metabolicznymi roślin. Dalsze ich badanie i poznanie struktur roślinnych enzymów pozwoli na wskazanie atrakcyjnych celów molekularnych, przeciwko którym w przyszłości będzie można zaprojektować nowe, skuteczne i bezpieczne środki ochrony roślin.
Krystalografia rentgenowska pozwala zajrzeć w głąb struktury białek niczym przez potężne szkło powiększające. Dzięki niej poznajemy budowę enzymów oraz sposób, w jaki przeprowadzają reakcje chemiczne.
Enzym kluczowy w metabilizmie roślin
W naszych badaniach skupiliśmy się na enzymie transkarbamylazy ornitynowej (OTC), który odgrywa kluczową rolę w metabolizmie azotu w roślinach. Udało nam się poznać, jak OTC otwiera i zamyka swoje centrum katalityczne – miejsce, w którym przyłączane są substraty i gdzie zachodzą reakcje chemiczne. To właśnie ten enzym jest celem ataku bakterii z rodzaju Pseudomonas, wywołujących m.in. bakteriozę obwódkową fasoli – chorobę prowadzącą do poważnych strat w plonach. Choć dla roślin jest to zjawisko katastrofalne, podobny mechanizm działania może posłużyć do opracowania nowych herbicydów skutecznie zwalczających chwasty.
Tajną bronią bakterii Pseudomonas syringae przeciw OTC jest toksyna zwana fazeolotoksyną. Działa ona niczym sabotażysta – blokuje enzym OTC, jeden z kluczowych enzymów szlaku biosyntezy argininy - aminokwasu bez którego roślina nie może się prawidłowo rozwijać, a jej metabolizm ulega poważnemu zaburzeniu.
Przykładowe kryształy białek, na podstawie których można rozwiązać strukturę molekularną
foto: arch. projektu
Struktura molekularna enzymu OTC transkarbamylazy ornitynowej
Struktura enzymu OTC u roślin poznana po raz pierwszy
Dotychczas trójwymiarowa struktura OTC była znana jedynie u bakterii i zwierząt. W naszych badaniach po raz pierwszy udało się zobaczyć strukturę tego enzymu również u roślin. Odkryliśmy, że zawiera on ruchomy fragment – tzw. pętlę SMG – która działa jak klapka: otwiera i zamyka dostęp do aktywnego miejsca enzymu. Ruch ten stabilizuje substraty w centrum katalitycznym i umożliwia uwolnienie produktów reakcji.
Fazeolotoksyna imituje kształtem naturalne substraty enzymu, dzięki czemu idealnie dopasowuje się do centrum katalitycznego. Wiąże się jednak z enzymem znacznie silniej, przez co nawet po otwarciu centrum nie jest usuwana, skutecznie blokując działanie enzymu i całego szlaku metabolicznego.
Widok cząsteczek związanych w centrum aktywnym badanego białka
Odkrycie, które może zmienić strategię ochrony upraw
Poznanie struktur krystalicznych roślinnego OTC pozwoliło nam zrozumieć dokładny mechanizm działania enzymu oraz jego interakcje z toksyną, co pomaga wyjaśnić, jak patogeny atakują rośliny na poziomie molekularnym. Nasza wiedza o białkach roślinnych wciąż pozostaje niepełna, dlatego każda nowa informacja jest niezwykle cenna – zwłaszcza w kontekście opracowywania nowoczesnych, selektywnych środków ochrony roślin, które mogą celować w kluczowe szlaki metaboliczne i skutecznie je blokować.
Autorzy nagrodzonej publikacji (od lewej): dr hab. inż. Bartosz Sekuła, dr inż. Agnieszka Pietrzyk-Brzezińska i mgr inż. Maciej Nielipiński
foto: Marcin Szmidt
Finansowanie i publikacja badań
Badania były prowadzone w ramach projektu SONATA 2021/43/D/NZ1/00486 finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.
Efekty badan zostały opisany w publikacji Nielipinski M, Pietrzyk-Brzezinska AJ, Wlodawer A and Sekula B (2023) Structural analysis and molecular substrate recognition properties of Arabidopsis thaliana ornithine transcarbamylase, the molecular target of phaseolotoxin produced by Pseudomonas syringae. Front. Plant Sci. 14:1297956. doi: 10.3389/fpls.2023.1297956.
Wyróżnienie tej pracy przez Komitet Krystalografii Polskiej Akademii Nauk podkreśla, że nowoczesne metody badawcze - takie jak krystalografia białek - mogą mieć istotny wpływ na rozwój rolnictwa i ochronę środowiska, otwierając nowe możliwości dla bezpieczniejszej i bardziej efektywnej ochrony naszych upraw.
