Nghiên cứu về nhóm protein vi sinh vật điều khiển hệ thống tế bào của cây trồng
Nhiều loại vi khuẩn tàn phá cây trồng và đe dọa nguồn cung cấp thực phẩm của con người sử dụng một chiến lược chung để gây bệnh, đó là tiêm trực tiếp một hỗn hợp protein có hại vào tế bào của cây.
Trong 25 năm, nhà sinh vật học Sheng-Yang He và cộng sự nghiên cứu cấp cao Kinya Nomura của ông đã tìm ra tập hợp các phân tử mà mầm bệnh thực vật sử dụng để gây bệnh cho hàng trăm loại cây trồng trên toàn thế giới, từ cây lúa đến cây táo.
Giờ đây, nhờ nỗ lực nhóm giữa ba nhóm nghiên cứu hợp tác, cuối cùng họ có thể có câu trả lời về cách các phân tử này làm cho cây bị bệnh và cách để vô hiệu hóa chúng.
Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các thành phần chính trong loại hỗn hợp gây hại cây trồng này, một họ protein được tiêm có tên AvrE/DspE, gây ra các bệnh từ đốm nâu ở đậu và đốm vi khuẩn ở cà chua đến bệnh bạc lá ở cây ăn quả.
Kể từ khi được phát hiện vào đầu những năm 1990, họ protein này được những người nghiên cứu bệnh thực vật rất quan tâm. Chúng là vũ khí chủ chốt trong kho vũ khí của vi khuẩn; tiêu diệt chúng trong phòng thí nghiệm sẽ khiến vi khuẩn nguy hiểm trở nên vô hại. Tuy nhiên, bất chấp nhiều thập kỷ nỗ lực, nhiều câu hỏi về cách thức hoạt động của chúng vẫn chưa được giải đáp.
Các nhà nghiên cứu đã xác định được một số protein thuộc họ AvrE/DspE có tác dụng ức chế hệ thống miễn dịch của cây hoặc gây ra những đốm sũng nước sẫm màu trên lá cây - dấu hiệu đầu tiên của sự nhiễm bệnh. Họ thậm chí còn biết trình tự cơ bản của các axit amin liên kết để tạo thành protein, giống như các hạt trên một sợi dây. Nhưng họ không biết chuỗi axit amin này gấp lại thành hình dạng 3D như thế nào nên họ không thể dễ dàng giải thích cách chúng hoạt động.
Một phần của vấn đề là lượng protein trong họ này rất lớn. Trong khi đó, một protein vi khuẩn trung bình có thể dài 300 axit amin; Protein họ AvrE/DspE là 2000.
Các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các protein khác có trình tự tương tự để tìm manh mối, nhưng không có protein nào có chức năng đã biết xuất hiện. Vì vậy, họ đã chuyển sang sử dụng một chương trình máy tính được phát hành vào năm 2021 có tên AlphaFold2, sử dụng trí tuệ nhân tạo để dự đoán hình dạng 3D của một chuỗi axit amin nhất định.
Các nhà nghiên cứu biết rằng một số thành viên của họ này giúp vi khuẩn trốn tránh hệ thống miễn dịch của cây. Nhưng cái nhìn đầu tiên của họ về cấu trúc 3D của protein đã gợi ý một vai trò bổ sung.
Đồng tác giả nghiên cứu Pei Zhou, Giáo sư hóa sinh tại Duke, nơi có phòng thí nghiệm đóng góp vào phát hiện này, cho biết: “Khi chúng tôi lần đầu nhìn thấy mô hình, nó không giống như những gì chúng tôi nghĩ”.
Các nhà nghiên cứu đã xem xét các dự đoán của AI về các protein vi khuẩn lây nhiễm sang cây trồng bao gồm lê, táo, cà chua và ngô và tất cả chúng đều chỉ ra cấu trúc 3D tương tự. Chúng dường như gấp lại thành một cây nấm nhỏ có thân hình trụ, giống như một chiếc ống hút.
Hình dạng dự đoán rất phù hợp với hình ảnh của một loại protein vi khuẩn gây bệnh bạc lá ở cây ăn quả được chụp bằng kính hiển vi điện tử. Nhìn từ trên xuống, protein này trông rất giống một ống rỗng.
Điều này khiến các nhà nghiên cứu suy nghĩ: Có lẽ vi khuẩn sử dụng các protein này để đục một lỗ trên màng tế bào thực vật, để ép vật chủ uống nước trong quá trình lây nhiễm.
Khi vi khuẩn xâm nhập vào lá, một trong những khu vực đầu tiên chúng đi qua là khoảng trống giữa các tế bào gọi là apoplast. Thông thường, thực vật giữ cho khu vực này khô ráo để có thể trao đổi khí cho quá trình quang hợp. Nhưng khi vi khuẩn xâm nhập, mặt trong của lá sẽ bị úng nước, tạo ra nơi trú ẩn ẩm ướt để chúng kiếm ăn và sinh sôi.
Việc kiểm tra sâu hơn mô hình 3D dự đoán về protein bệnh bạc lá cho thấy, trong khi bên ngoài cấu trúc giống như rơm có khả năng chịu nước thì lõi rỗng bên trong của nó có sự tương đồng đặc biệt với nước.
Để kiểm tra giả thuyết, nhóm nghiên cứu đã hợp tác với Giáo sư sinh học Ke Dong và đồng tác giả đầu tiên Felipe Andreazza, một cộng tác viên sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của bà. Họ đã thêm các chỉ số gien cho protein vi khuẩn AvrE và DspE vào trứng ếch, sử dụng trứng làm nhà máy tế bào để tạo ra protein. Những quả trứng được cho vào dung dịch muối loãng sẽ nhanh chóng phồng lên và vỡ ra khi có quá nhiều nước.
Các nhà nghiên cứu cũng cố gắng xem liệu họ có thể vô hiệu hóa các protein vi khuẩn này bằng cách chặn các kênh của chúng hay không. Nomura tập trung vào một loại hạt nano hình cầu cực nhỏ gọi là dendrimer PAMAM. Được sử dụng trong hơn hai thập kỷ trong lĩnh vực phân phối thuốc, những dendrimer này có thể được chế tạo với đường kính chính xác trong phòng thí nghiệm.
He nói: “Chúng tôi đang nghiên cứu giả thuyết rằng nếu tìm thấy loại hóa chất có đường kính phù hợp, có thể chúng tôi có thể chặn các kênh này”.
Sau khi thử nghiệm các hạt có kích thước khác nhau, họ đã xác định được một hạt mà họ cho rằng có thể có kích thước phù hợp để gây nhiễu protein kênh nước do mầm bệnh bệnh bạc lá Erwinia amylovora tạo ra.
Họ lấy trứng ếch được thiết kế để tổng hợp protein này và rắc các hạt nano PAMAM vào trứng ếch, và nước ngừng chảy vào trứng. Chúng không sưng lên.
Họ cũng xử lý những cây Arabidopsis bị nhiễm mầm bệnh Pseudomonas syringae, gây ra đốm vi khuẩn. Các hạt nano chặn kênh đã ngăn chặn vi khuẩn xâm nhập, làm giảm nồng độ mầm bệnh trong lá cây xuống 100 lần.
Các hợp chất này cũng có hiệu quả chống lại các bệnh do vi khuẩn khác. Các nhà nghiên cứu đã làm điều tương tự với những quả lê tiếp xúc với vi khuẩn gây bệnh bạc lá và những quả này không bao giờ phát triển các triệu chứng tức là vi khuẩn không làm cho quả bị bệnh.
Các nhà nghiên cứu cho biết những phát hiện này có thể đưa ra một hướng tấn công mới chống lại nhiều bệnh thực vật.
Thực vật sản xuất ra 80% lượng thực phẩm cho con người. Tuy nhiên, hơn 10% sản lượng lương thực toàn cầu - các loại cây trồng như lúa mì, gạo, ngô, khoai tây và đậu tương - bị mất do mầm bệnh và sâu bệnh thực vật mỗi năm, khiến nền kinh tế toàn cầu thiệt hại tới 220 tỷ USD.
Bước tiếp theo, Chu và đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu Jie Cheng, sẽ tìm ra cách thức hoạt động của lớp bảo vệ này, bằng cách có được cái nhìn chi tiết hơn về cách các hạt nano chặn kênh và kênh protein tương tác với nhau.
Chu cho biết: “Nếu chúng ta có thể hình dung được những cấu trúc đó, chúng ta có thể hiểu rõ hơn và đưa ra những thiết kế tốt hơn để bảo vệ cây trồng”.
https://mard.gov.vn/
