За 40 лет биолог Шэрон Лонг стала экспертом в области симбиотических бактерий, которые помогают расти люцерне. Она опубликовала более 150 статей по этой теме, но когда она поняла, что десятилетия целенаправленных исследований в ее лаборатории могут способствовать решению проблемы озеленения цитрусовых - болезни, уничтожающей цитрусовые культуры, - она решила пойти в новом направлении.
«Я всего в двух поколениях от фермы, и я читал о фермерах, выращивающих цитрусовые, которые теряют средства к существованию и землю и, таким образом, теряют поколения семейных традиций», - сказал Лонг, который является Уильямом К. Стир-младший - профессор биологических наук Pfizer Inc. в Школе гуманитарных и естественных наук. «Мы решили перенаправить наши усилия на решение этой проблемы, потому что хотели что-то изменить».
Этот риск окупился благодаря новому способу поиска потенциальных методов лечения болезни и короткому списку из 130 соединений для дальнейшего изучения. Подробности о системе и их показах были опубликованы 19 августа в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«То, что мы сделали, - это лишь малая часть того, что необходимо сделать», - сказала Мелани Барнетт, старший научный сотрудник лаборатории Лонга и ведущий автор статьи. «Мы не в состоянии довести эти результаты до уровня, необходимого для их применения в реальных условиях, но это шаг вперед для исследователей, которые могут предпринять следующие шаги».
Десятилетия знаний
Озеленение цитрусовых опустошило цитрусовую индустрию во Флориде и встречается во многих регионах страны, где выращивают цитрусовые. Даже при усиленном наблюдении болезнь распространяется, и к моменту появления симптомов смертельной бактериальной инфекции уже слишком поздно - растения с пестрыми листьями и уродливыми плодами с неприятным горьким соком необходимо вырвать с корнем и уничтожить.
Все более распространенным методом лечения инфекции является опрыскивание целых садов антибиотиками, что является рискованной процедурой, которая может привести к появлению и распространению устойчивых к лекарствам бактерий.
Несмотря на опустошение, озеленение цитрусовых было трудным для изучения исследователями. Бактерии, вызывающие заболевание - Liberibacter asiaticus - не растут в лаборатории, а изучение зараженных растений возможно только в нескольких строго охраняемых и закрытых местах в США. Некоторые исследователи обратились к близкому, но менее вредному бактериальному родственнику. найти ответы. Но в лаборатории Лонга поняли, что они могут решить эту проблему, сосредоточившись на более дальнем родственнике - Sinorhizobium meliloti, который сотрудничает с некоторыми растениями, позволяя им расти без добавления азотных удобрений.
«Мы работали над этой бактерией в течение 40 лет и разработали инструменты, позволяющие проводить детальные генетические исследования», - сказал Лонг. «Это обеспечивает экспериментальную платформу, которую невозможно получить, работая непосредственно с этим патогеном или даже с его близкими родственниками».
Исследователи начали с введения генов бактерии, вызывающей позеленение цитрусовых, в знакомую им клетку S. meliloti. Каждый из этих генов кодирует белок, который, по мнению ученых, регулирует аспекты инфекции.
Затем они сконструировали бактерии так, что когда эти важные для инфекции белки были активны, бактерии светились зеленым при определенном освещении. При такой установке, если бы они подвергли бактерии воздействию химического вещества, которое ингибирует белки и, возможно, также снижает способность бактерий заражать цитрусовые, клетка стала бы заметно менее зеленой.
Этот визуальный сигнал позволил провести скрининг более 120 000 различных соединений с помощью Стэнфордского центра высокопроизводительных биологических исследований. Этот анализ выявил 130 соединений, которые приглушали зеленое свечение клеток, не влияя на их рост.
«Наша система позволила нам найти очень специфические ингибиторы, которые не наносят вреда полезным бактериям», - объяснил Лонг. «Такие ингибиторы были бы большим улучшением по сравнению с распылением обычных антибиотиков в окружающей среде».
Помимо изучения 130 соединений, группа заявила, что другие исследователи теперь могут тестировать дополнительные химические вещества с помощью разработанной ими системы или исследовать различные гены.
«С помощью этой системы любой ген этого патогена или близкородственных патогенов может быть проверен очень контролируемым и очень эффективным образом», - сказал Барнетт. «Годы исследований, которые ушли на изучение и работу с Sinorhizobium, теперь могут сэкономить годы времени, которые другие потратили бы на разработку такой системы с нуля».
Измени мир
Для Лонга и Барнетта это начинание имело личное значение. Лонг - уроженец Техаса, чьи бабушка и дедушка выросли на фермах, а тетя была из города в долине Рио-Гранде, известного своей цитрусовой промышленностью. Она финансировала первые несколько месяцев этого исследования из собственных сбережений. Двое прадедов и прабабушек Барнетта до переезда в Калифорнию владели пшеничной фермой в Колфаксе, штат Вашингтон. Другой набор переехал в Калифорнию из Арканзаса в 1920 году и работал в качестве сельскохозяйственных рабочих-мигрантов по всему штату, часто в цитрусовой промышленности. Барнетт вырос в Южной Калифорнии, где болезнь позеленения цитрусовых была впервые обнаружена в 2012 году.
«Возможность обеспечить себя - это полезно. Это также важно для нашего благополучия и нашей национальной безопасности», - сказал Барнетт. «Большая часть цитрусовых, которые едят из рук, поступает из Калифорнии, и я испытываю огромную гордость и благодарность за то, что живу в штате, который кормит всю страну».
Наряду с призывом к дальнейшей работе над соединениями-кандидатами и системой скрининга, Лонг и Барнетт закончили свою статью призывом к действию. Они призывают других исследователей последовать их примеру и выйти из своей зоны комфорта, чтобы внести свой вклад в кризис озеленения цитрусовых. Команда пожертвовала всю информацию и материалы в общественное достояние, чтобы побудить как можно больше исследователей использовать эту систему.
Дэвид Э. Солоу-Кардеро из Высокопроизводительного центра биологических наук в Стэнфорде также является соавтором этой статьи. Лонг также является членом Stanford Bio-X и научным сотрудником Stanford ChEM-H.