العديد من البكتيريا التي تعيث فسادا في المحاصيل وتهدد إمداداتنا الغذائية تستخدم استراتيجية مشتركة للتسبب في المرض: فهي تحقن مجموعات من البروتينات الضارة مباشرة في الخلايا النباتية. على مدى 25 عامًا، كان عالم الأحياء شنغيانغ هي وكبير الباحثين المشاركين شينيا نومورا يدرسان مجموعة الجزيئات التي تستخدمها مسببات الأمراض النباتية لإحداث المرض في مئات المحاصيل حول العالم، من الأرز إلى بساتين التفاح.
الآن، توصلت ثلاث مجموعات بحثية تعاونية أخيرًا إلى إجابات حول كيفية تسبب هذه الجزيئات في إصابة النباتات بالمرض، بالإضافة إلى طرق إبطالها.
نُشرت نتائج الأبحاث ذات الصلة في مجلة Nature في 13 سبتمبر.
يدرس الباحثون في المختبر المكونات الرئيسية في هذا الكوكتيل القاتل، وهو عائلة من البروتينات المحقونة تسمى AvrE/DspE، والتي تسبب أمراضًا تتراوح من البقع البنية في الفاصوليا إلى البقع البكتيرية في الطماطم إلى اللفحة النارية في أشجار الفاكهة.
منذ اكتشافه في أوائل التسعينيات، أبدى الأشخاص الذين يدرسون أمراض النبات اهتمامًا كبيرًا بهذه العائلة البروتينية. إنها أسلحة أساسية في الترسانات البكتيرية؛ يمكن أن يؤدي القضاء عليها في المختبر إلى جعل البكتيريا الخطرة غير ضارة. ولكن على الرغم من عقود من الجهود، فإن العديد من الأسئلة حول كيفية عملها تظل بلا إجابة.
ووجد الباحثون أن العديد من البروتينات في عائلة AvrE/DspE يمكن أن تثبط الجهاز المناعي للنبات أو تشكل بقع سوداء مشبعة بالماء على أوراق النبات - وهي العلامة الأولى للعدوى. بل إنهم يعرفون التسلسل الأساسي للأحماض الأمينية، التي تتجمع معًا مثل الخرز في الخيط لتكوين البروتينات. لكنهم لم يعرفوا كيف تطوى سلسلة الأحماض الأمينية إلى شكل ثلاثي الأبعاد، لذلك لم يتمكنوا بسهولة من شرح كيفية عملها.
جزء من المشكلة هو أن البروتينات الموجودة في هذه العائلة كبيرة جدًا. قد تحتوي البروتينات البكتيرية العامة على 300 حمض أميني فقط، بينما تحتوي بروتينات عائلة AvrE/DspE على 2000 حمض أميني.
بحث الباحثون عن بروتينات أخرى ذات تسلسلات مماثلة بحثًا عن أدلة، لكنهم لم يجدوا أيًا منها له وظيفة معروفة.
وقال "إنها بروتينات غريبة". لذلك لجأوا إلى برنامج كمبيوتر يسمى AlphaFold2، الذي تم إصداره في عام 2021، والذي يستخدم الذكاء الاصطناعي للتنبؤ بالشكل ثلاثي الأبعاد لسلسلة معينة من الأحماض الأمينية.
ويعرف الباحثون أن بعض أفراد هذه العائلة يساعدون البكتيريا على الاختباء من الجهاز المناعي للنبات. ولكن عندما رأوا البنية ثلاثية الأبعاد للبروتين لأول مرة، اكتشفوا دورًا آخر.
وقال المؤلف المشارك في الدراسة، باي تشو، أستاذ الكيمياء الحيوية في جامعة ديوك: "عندما رأينا هذا النموذج لأول مرة، كان مختلفًا تمامًا عما تخيلناه".
درس الباحثون توقعات الذكاء الاصطناعي للبروتينات البكتيرية التي تصيب محاصيل مثل الكمثرى والتفاح والطماطم والذرة، ووجدوا أن جميعها لها هياكل ثلاثية الأبعاد متشابهة. يبدو أنها تطوى على شكل فطر صغير ذو ساق أسطواني، مثل القش.
يتطابق الشكل المتوقع بشكل وثيق مع الصور الملتقطة باستخدام المجهر الإلكتروني المبرد للبروتين البكتيري الذي يسبب اللفحة النارية على أشجار الفاكهة. عند النظر إليه من أعلى إلى أسفل، يبدو البروتين مثل أنبوب مجوف إلى حد كبير.
وهذا ما جعل الباحثين يفكرون: ربما تستخدم البكتيريا هذه البروتينات لإحداث ثقوب في أغشية الخلايا النباتية و"إجبار المضيف على شرب الماء" أثناء عملية العدوى.
عندما تدخل البكتيريا إلى ورقة، فإن إحدى المناطق الأولى التي تتلامس معها هي المساحة بين الخلايا، والتي تسمى السيتوبلازم. عادة، تحافظ النباتات على هذه المنطقة جافة للسماح بتبادل الغازات اللازمة لعملية التمثيل الضوئي. ولكن عندما تغزو البكتيريا، يتراكم الماء داخل الأوراق، مما يخلق جنة رطبة ومريحة لها للتغذية والتكاثر.
وكشفت دراسة إضافية للنموذج ثلاثي الأبعاد المتوقع لبروتين اللفحة النارية أنه في حين أن الجزء الخارجي من الهيكل الشبيه بالقش مقاوم للماء، إلا أن قلبه المجوف له صلة خاصة بالمياه.
لاختبار فرضية قناة المياه، تعاون فريق البحث مع أستاذ علم الأحياء بجامعة ديوك دونغ كي وباحث ما بعد الدكتوراه في مختبره والمؤلف الأول المشارك فيليب أندريازا. وأضافوا قراءات وراثية للبروتينات البكتيرية AvrE وDspE إلى بيض الضفادع، باستخدام البيض كمصانع خلوية لصنع هذه البروتينات. ضع بيض الضفدع في محلول ملحي مخفف. الكثير من الماء سوف يتسبب في تضخم البيض بسرعة وتمزقه.
وحاول الباحثون أيضًا تحرير هذه البروتينات البكتيرية عن طريق سد قنواتها. ركز نومورا على نوع من الجسيمات النانوية الكروية الصغيرة تسمى PAMAM dendrimers. لقد تم استخدام هذه التشعبات في توصيل الأدوية لأكثر من عقدين من الزمن، ويمكن تحويلها إلى جزيئات ذات أقطار دقيقة في المختبر.
وقال: "كانت فرضيتنا هي أنه إذا وجدنا مواد كيميائية ذات القطر الصحيح، فقد نتمكن من سد المسام".
وبعد اختبار جزيئات بأحجام مختلفة، وجدوا واحدة اعتقدوا أنها بالحجم المناسب تمامًا لمنع الأكوابورينات التي ينتجها مسبب مرض اللفحة النارية Erwiniaamylovora.
لقد أخذوا بيض الضفادع الذي يمكنه تصنيع هذا البروتين وسقوه بجزيئات PAMAM النانوية، بحيث لم يعد الماء يتدفق إلى بيض الضفادع. أنها لا تنتفخ.
كما قاموا بمعالجة نباتات الأرابيدوبسيس المصابة ببكتيريا Pseudomonas syringae المسببة للبقع البكتيرية. أوقفت الجسيمات النانوية التي تحجب القنوات نمو البكتيريا، مما أدى إلى تقليل تركيزات مسببات الأمراض في أوراق النبات بما يصل إلى 100 مرة.
هذه المركبات فعالة أيضًا ضد الالتهابات البكتيرية الأخرى. أجرى الباحثون نفس التجربة على ثمار الكمثرى، التي تعرضت للبكتيريا المسببة لمرض اللفحة النارية، لكن الثمار لم تظهر عليها الأعراض أبدًا، فالبكتيريا لم تسبب لها المرض.
وأضاف: "لقد كانت عملية طويلة، لكنها نجحت". "نحن متحمسون جدًا لهذا."
ويقول الباحثون إن النتائج يمكن أن توفر أفكارًا جديدة للسيطرة على العديد من الأمراض النباتية. 80% من الطعام الذي نتناوله تنتجه النباتات. ومع ذلك، فإن أكثر من 10% من الإنتاج الغذائي العالمي - محاصيل مثل القمح والأرز والذرة والبطاطس وفول الصويا - يُهدر بسبب مسببات الأمراض والآفات النباتية كل عام، مما يكلف الاقتصاد العالمي ما يصل إلى 220 مليار دولار.
وقد تقدم فريق البحث بطلب للحصول على براءة اختراع مؤقتة لهذه الطريقة. وقال تشو والمؤلف المشارك الأول جي تشينغ، طالب الدكتوراه في مختبر تشو، إن الخطوة التالية هي معرفة كيفية عمل هذه الحماية من خلال النظر بمزيد من التفصيل في كيفية تفاعل الجسيمات النانوية التي تحجب القنوات وبروتينات القناة.
وقال تشو: "إذا تمكنا من تصوير هذه الهياكل، فيمكننا فهم وتصميم حلول أفضل لحماية المحاصيل".