Mechanizm działania i strukturę enzymu, który odgrywa kluczową rolę w metabolizmie azotu w roślinach, opisali naukowcy z Politechniki Łódzkiej. Za swoje badania zostali uhonorowani Diamentem Krystalograficznym przyznawanym przez Komitet Krystalografii Polskiej Akademii Nauk.
Współczesne rolnictwo mierzy się z wieloma wyzwaniami, które co roku powodują znaczne straty w plonach. Dla przykładu, gwałtowne zmiany klimatyczne sprzyjają nie tylko częstszym klęskom żywiołowym, ale również rozprzestrzenianiu się chorób roślin i szkodników. Z kolei środki ochrony roślin, choć są niezbędne dla utrzymania zdrowych i obfitych plonów, to 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 – wyjaśnia dr. hab. inż. Bartosz Sekuła z Instytutu Biotechnologii Molekularnej i Przemysłowej na Wydziale Biotechnologii i Nauk o Żywności Politechniki Łódzkiej.
Jego zespół skupił się na enzymie transkarbamylazy ornitynowej (OTC), który odgrywa kluczową rolę w metabolizmie azotu w roślinach. Badacze sięgnęli po krystalografię rentgenowską, która pozwala zajrzeć w głąb struktury białek niczym przez potężne szkło powiększające i poznać dzięki temu budowę enzymów oraz sposób, w jaki przeprowadzają reakcje chemiczne.
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 – zauważa dr inż. Agnieszka Pietrzyk-Brzezińska.
Jak wynika z badań łódzkich naukowców, 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.
Dotychczas trójwymiarowa struktura OTC była znana jedynie u bakterii i zwierząt. Łódzcy naukowcy jako pierwsi opisali strukturę tego enzymu również u roślin. Odkryli, 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.
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 – podkreśla mgr inż. Maciej Nielipiński.
Wyniki badań zostały opublikowane na łamach czasopisma „Frontiers in Plant Science”. Naukowcy zostali również docenieni Diamentem Krystalograficznym przyznawanym przez Komitet Krystalografii Polskiej Akademii Nauk. To dowód na to, 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.
źródło: PŁ