Изменение климата приведет к усилению засух, угрожающих урожаю. Один из потенциальных способов защиты сельскохозяйственных культур - опрыскивание их составом, который повышает устойчивость растений к засухе. Теперь, определив ключевой молекулярный механизм, позволяющий растению свести к минимуму потерю воды, исследователи могут стать на один шаг ближе к этой цели.
В засушливых условиях растения могут выстроить естественную защиту. Они производят гормон, называемый абсцизовой кислотой, или АБК, который связывается с белком, называемым рецептором PYL, запуская цепочку реакций, которые в конечном итоге закрывают поры растения на его листьях.«Потери воды растениями отсутствуют или минимальны, - объясняет Саураб Шукла, аспирант Университета Иллинойса. «Они экономят водные ресурсы и живут дольше».
Ключевым является гормон ABA. Из-за своей умеренной стабильности и молекулярной сложности АБК нельзя распылять непосредственно в поле. Но Шукла сказал: «Если мы сможем понять, как работает гормон, мы сможем разработать молекулу, которую можно распылять и которая будет выполнять ту же работу для нас». Если исследователи смогут найти молекулу, которая не только работает так же, как гормон ABA, но также дешева, стабильна и безвредна для окружающей среды, то фермеры смогут использовать ее, чтобы сделать свои культуры устойчивыми к засухе.
Но подробности того, как работает ABA, были неуловимы. Экспериментальные методы, такие как дифракция рентгеновских лучей, могут делать снимки гормона до и после связывания с рецептором PYL, но они не могут зафиксировать оба действия в действии. Поэтому Шукла и его коллеги обратились к суперкомпьютерам.
Используя молекулярно-динамическое моделирование, исследователи впервые раскрыли молекулярные детали того, как ABA связывается с рецептором PYL. Моделирование показывает, кадр за кадром, как и где гормон связывается с белком и заставляет его менять форму, что позволяет ему активировать следующий белок в последовательности, что в конечном итоге позволяет растению закрыть свои поры.
«Вы точно знаете, что происходит в микроскопическом масштабе», - сказал Шукла. «Это как в кино».
И фильм заканчивается так, как должен. Окончательные кадры гормона, связанного с рецептором, точно соответствуют кристаллическим структурам, предсказанным рентгеновской дифракцией, что подтверждает точность моделирования. Команда представит свою работу на 61-м собрании Биофизического общества, которое состоится 11-15 февраля 2017 года в Новом Орлеане.
Исследователи смоделировали только два конкретных типа рецепторов PYL, обнаруженных в небольшом цветковом растении под названием A. Талиана. Тем не менее, по словам Шукла, их результаты широко применимы, поскольку структура рецепторов PYL очень похожа у всех видов. Для рецепторов PYL, кристаллическая структура которых известна, их связывающий карман - часть белка, которая связывается с АБК, - одинаков. Структура вокруг кармана также аналогична. Такое сходство означает, что один и тот же механизм связывания, вероятно, имеет место у всех растений.
Хотя исследователи все еще могут захотеть подтвердить этот механизм на других растениях, таких как рис, структура рецептора PYL которого известна, охота на имитатор ABA уже может начаться, сказал Шукла. Исследователям придется провести тщательные вычислительные и генетические исследования, чтобы идентифицировать такое соединение. Цель состоит в том, чтобы найти соединение, которое может воздействовать на все виды, не прибегая к генной инженерии. Но, по словам Шукла, пройдет не менее десяти лет, прежде чем какой-либо продукт появится на рынке.