Эволюция находится в вечном цикле появления новых патогенов. К счастью для нас, людей, и многих других животных, мы обладаем очень развитым иммунитетом – так называемой адаптивной иммунной системой, – которая позволяет нашему организму очень эффективно бороться с патогенами с помощью антител и множества других видов оружия, например, Т-клеток. Когда мы делаем прививку от возбудителя болезни, мы подготавливаем эту адаптивную иммунную систему к будущим встречам с патогеном.
Растениям этого не хватает. Хотя они и обладают более общей иммунной системой, известной как врожденный иммунитет, она не столь точна и мощна, как адаптивный иммунитет. Несмотря на то, что врожденный иммунитет выдержал испытание временем, он делает растения, включая важные продовольственные культуры, уязвимыми для новых штаммов патогенов.
Что если бы можно было усовершенствовать растения с помощью биоинженерии, чтобы они обладали адаптивной иммунной системой? Именно это и сделали Йоргос Курелис и его коллеги, о результатах работы которых сообщается в журнале Science. Этот метод может помочь в достижении давно поставленной цели – быстрой и точной модификации восприимчивых видов сельскохозяйственных культур для придания им устойчивости к появляющимся патогенам и вредителям.
Эволюционный танец
Иммунитет растений можно разделить на клеточно-поверхностный и внутриклеточный. На поверхности растительных клеток иммунные рецепторы отслеживают древние патоген-ассоциированные молекулярные паттерны (PAMP). Это неспецифические маркеры, которые просто указывают на наличие микробной угрозы. Грубая аналогия – камера слежения. Иммунные рецепторы действуют как камеры наблюдения, подавая сигнал тревоги при обнаружении чего-то подозрительного, например, человека в маске (это и есть патоген-ассоциированный молекулярный паттерн в данной аналогии), пытающегося проникнуть в дом. Но камера не настолько точна, чтобы определить, кто это.
Когда срабатывают эти поверхностно-связанные рецепторы, они запускают каскад защитных мер, которые убивают патоген. Чтобы избежать этого, патогены выпустили целый арсенал иммунных саботажных агентов, называемых эффекторами, которые вводятся в клетки растений для нарушения клеточных функций. В ответ на это растения выработали собственную стратегию противодействия эффекторам. Они используют набор внутриклеточных иммунных рецепторов, называемых NLR (иммунные рецепторы, связывающие нуклеотиды и богатые лейциновыми повторами), которые распознают и нейтрализуют эффекторы патогенов.
На протяжении миллионов лет растения и патогены участвуют в бесконечном эволюционном танце, в ходе которого растения развивают NLR, способные распознавать и обезвреживать эффекторы патогенов, а патогены развивают эффекторы, не обнаруживаемые NLR растений.
Однако когда этот эволюционный танец затрагивает основную продовольственную культуру, он может представлять серьезную угрозу для миллионов людей. Например, один грибковый патоген Magnaporthe oryzae ответственен за 30% потерь производства риса в мире, уничтожая продукты, которые могли бы прокормить 60 млн. человек. Именно поэтому такие ученые, как Курелис, стремятся найти способы оказать помощь сельскохозяйственным культурам.
Гибридная иммунная система растений и животных
Часть белка NLR, которая распознает подозрительные патогенные молекулы, называется интегрированным доменом (ID). Ученые выявили несколько сотен уникальных ID в растениях риса, что позволяет предположить, что растения способны распознавать несколько сотен различных эффекторов. Это может показаться много, но следует помнить, что растения обладают общей иммунной системой, способной распознавать только общие закономерности. Антитела же, вырабатываемые человеком, способны распознавать один квинтиллион (миллион триллионов) различных высокоточных молекулярных паттернов.
Учитывая, что адаптивная иммунная система животных способна вырабатывать антитела практически против любого чужеродного белка, с которым она сталкивается, Курелис и его коллеги задались вопросом, можно ли использовать силу антител для борьбы растений с патогенами. В ходе экспериментального исследования Курелис модифицировал белок Pik-1, один из NLR, вырабатываемых растением риса. Команда заменила ID-область Pik-1 фрагментом антитела, связывающегося с флуоресцентными белками.
Затем биоинженерные и контрольные (без изменений) растения подвергли воздействию патогена (картофельного вируса X), который сам был генетически модифицирован для экспрессии флуоресцентных белков. Биоинженерные растения показали значительно меньшую флуоресценцию, что свидетельствует о том, что гибридные молекулы NLR-антител, продуцируемые растениями, успешно блокируют репликацию вируса.
Авторы предполагают, что данная технология может позволить создавать “гены устойчивости по заказу” для защиты сельскохозяйственных культур от патогенов и вредителей. Это было бы очень полезно для фермеров всего мира и людей, которых они кормят.
Читайте также: Грибок научился заражать человека, распространяя “корневидные нити”