В плодородных сельскохозяйственных почвах бактерии Streptomyces scabies ведут войну с картофелем, используя химикаты, похожие на взрывчатые вещества и пестициды.
Но микробный спойлер обезвреживает один из ядов S. scabies. Исследователи из Технологического института Джорджии получили новое представление об уникальном механизме, который он использует, который когда-нибудь может способствовать разработке новых агентов для разложения сильных загрязнителей и помочь спасти больше обычного урожая.
Когда Streptomyces scabies заражает картофель, он выделяет яды, называемые такстоминами, которые покрывают картофель знакомыми темными струпьями. Возможно, пустяк для знатока картофеля, вырезающего его ножом для очистки овощей, но эти дефекты в сумме приводят к сокращению сельскохозяйственного производства в глобальном масштабе.
Беспрецедентные ходы
Ученые, исследующие картофельную почву, обнаружили бактерии вида Bradyrhizobium sp. Работающие помехи JS329. Хотя их сильные ферменты не расщепляют такстомины, они обезвреживают другую токсическую секрецию S. scabies, называемую 5-нитроантраниловой кислотой (5-NAA)..
Один фермент, в частности, использует, казалось бы, беспрецедентные и впечатляющие химические трюки, чтобы разрушить железную химическую структуру 5-NAA.
Исследователи обнаружили их и опубликовали результаты в журнале Nature Chemical Biology. Исследование финансировалось Национальным научным фондом, благотворительным фондом Pew Charitable Trusts, организацией «Стажировка учителей штата Джорджия» и Министерством энергетики США..
Химическое оружие
С. бактерии чесотки - мастера химической войны, и не только против картофеля.
«Это семейство бактерий известно своей способностью синтезировать множество различных молекул, в том числе те, которые люди используют в качестве антибиотиков», - говорит старший научный сотрудник Ракель Либерман, доцент Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии.
"Они хорошо убивают другие организмы", сказала она. Хотя такстомины, которые они выделяют, хорошо известны тем, что портят картофель, мало что известно о токсине 5NAA.
Тем не менее, понимание того, как он разбивается, может оказаться полезным для сельского хозяйства. «Молекула 5NAA достаточно похожа на такстомин, поэтому изучение ее деградации может вдохновить будущую работу по разработке фермента, бактерии или даже самого растения для детоксикации такстомина», - сказал Либерман.
Ферментное Кунг-Фу
5NAA встретила своего соперника в виде бактерии Bradyrhizobium sp. JS329, который мы для краткости назовем Brady.
"Брэди" производит ферменты, способные бороться с 5NAA, первый из которых называется 5NAA-A. Добавленная буква «А» после тире означает «аминогидролаза», термин, который означает, что она использует воду для изменения части токсина 5NAA.
«Реакция замещения», которую осуществляет фермент 5NAA-A, распространена в органическом синтезе, но крайне редко встречается в живых существах. «Есть только один известный фермент, который, как подтверждено, использует этот конкретный химический механизм», - сказал Либерман.
Команда Либермана, которая специализируется на получении белковых кристаллов ферментов, таких как 5NAA-A, наблюдала момент последующей реакции. «Мы смогли зафиксировать критический этап (гидролиз) в кристалле для этой бумаги», - сказала она.
«Это дурацкая химическая реакция», - сказал Либерман. 5NAA-A помогает уничтожить токсин 5NAA двумя действительно странными способами, например диковинными приемами кунг-фу.
Сломать не ту руку
Токсин 5NAA проникает в бактерию «Брэйди» со смертельным оружием. Нитрогруппа, или NO2, является частью его структуры, что делает 5NAA нитроароматическим соединением.
«По сути, все эти нитроароматические соединения либо взрывоопасны, либо токсичны», - сказал Либерман. «ТНТ ничем не отличается от этого соединения».
Многие бактерии выработали ферменты для борьбы с синтетическими нитроароматическими соединениями - загрязняющими веществами, такими как красители, пестициды или взрывчатые вещества, которые были сброшены в нашу окружающую среду. Ферменты склонны использовать ту же стратегию. «Нитрогруппы обычно являются первой мишенью любого разлагающего фермента, потому что они очень токсичны», - сказал Либерман.
Не так для фермента 5NAA-A.
Он идет после другой группы токсичной молекулы, амина, который безвреден. Это немного похоже на то, как мастер кунг-фу ломает руку, противоположную руке с оружием. Но это работает.
Путем гидролиза амина фермент 5NAA-A устанавливает токсин 5NAA для разрушения другими ферментами. «Тот факт, что он делает это без удаления нитрометана, является странным. Это неожиданный ход», - сказал Либерман.
Криптонитовое самоубийство
Затем есть странности, связанные с металлом.
5NAA-A - это металлопротеаза, фермент, которому для работы необходим ион металла. Но в отличие от других металлопротеаз, в нее не встроен ни один из них. Он может работать с одним из четырех различных металлов, но 5NAA-A не может найти металл самостоятельно.
«Он полагается на 5NAA, чтобы донести его до вечеринки», - сказал Либерман.
Другими словами, яд 5NAA, кажется, буксирует ион металла до фермента 5NAA-A, который затем забирает его и использует для уничтожения яда. Это как Супермен, передающий криптонит заклятому врагу.
«По крайней мере, это то, что мы думаем, происходит», - сказал Либерман. «Мы собираемся выяснить подробности дальше».
Одинокий мастер
Сумма странных способов 5NAA-A побудила команду Либермана проверить огромную базу данных генома на наличие совпадений последовательности генов, которые могут производить фермент, подобный 5NAA-A. Они нашли только один известный пример на Земле.
«Эта последовательность гена фермента происходит из отложений в Йеллоустонском национальном парке», - сказал Либерман. Пока не подтверждено, что бактерии, в которых он находится, действительно детоксицируют 5NAA, хотя это вполне вероятно.
Даже если это так, фермент 5NAA-A остается необычайно редким, учитывая, что мириады микробов на Земле производят еще большее количество ферментов. «Тот факт, что может быть только один другой, ошеломляет», - сказал Либерман.
Исследователи средней школы
Еще одна редкость: школьный учитель естественных наук является одним из авторов исследовательской работы. Кейси Бетел, которая была названа учителем года в Джорджии в 2017 году, помогла другим исследователям преодолеть барьер, сдерживавший прогресс.
«Мы используем так называемые метки, чтобы идентифицировать интересующий нас фермент, когда собираем его. Мы подозревали, что метки мешают процессу кристаллизации», - сказал Бетел. Так вот, он клонировал белки со сменными метками, что существенно помогло проекту продвинуться вперед.
Bethel участвует в основной программе K-12 Технологического института Джорджии, CEISMC, которая, среди прочего, способствует обучению STEM среди малообеспеченных слоев населения в государственных школах Джорджии. И в течение трех лет CEISMC помогал ему улучшать свои навыки преподавания.
Вефиль также привлек старшеклассников для работы с ним в лаборатории Либермана. Он в восторге от того, что он и они могут принять участие в исследовании. «Фантастика! Невообразимо! Кто бы мог подумать, что школьный учитель будет опубликован в журнале Nature?» Вефиль сказал.
С тех пор, как в Технологическом институте Джорджии началась информационная работа, Вефиль видел, как по крайней мере 60 его бывших студентов выбрали исследования и карьеру в области STEM. «В то время как раньше это число было близко к нулю», - сказал он. «Это неописуемо. Это важно, великолепно и впечатляюще. Я никогда не смогу измерить воздействие».