Da bi ostale zdrave, biljke balansiraju energiju koju ulažu u rast sa količinom koju koriste za odbranu od štetnih bakterija. Mehanizmi iza ove ravnoteže su uglavnom ostali misteriozni. Sada su inženjeri na Prinstonu pronašli odgovor na neočekivanom mestu: bezopasne — ili ponekad korisne — bakterije koje se skupljaju oko korena biljaka.
U članku objavljenom u časopisu Cell Reports, istraživači su pokazali da neke vrste bakterija u zemljištu mogu uticati na ravnotežu rasta i odbrane biljke. Bakterije proizvode enzim koji može smanjiti imunološku aktivnost biljke i omogućiti njenom korenu da raste duže nego što bi inače.
„Ovo pokušava da dođe do zaista velikog biološkog pitanja na koje nema dobrih odgovora – o tome kako se mikrobiomi povezuju sa imunološkim sistemima domaćina“, rekao je viši autor studije Džonatan Konvej, docent hemijskog i biološkog inženjerstva. „To je mali korak u pravcu pokušaja da se razume kako mikrobi žive na domaćinima – bilo biljkama ili ljudima ili drugim životinjama – sve vreme i ne aktiviraju naše imunološke odgovore stalno.“
Da bi potražio bakterije za balansiranje imuniteta, Konvejev tim se okrenuo biljkama koje su konstruisane da imaju pojačan imuni odgovor na protein koji čini dodatke u obliku niti zvane flagele koje omogućavaju bakterijama da plivaju. Protein koji čini flagele, nazvan flagelin, je snažan pokretač imunoloških odgovora kod domaćina od biljaka do ljudi.
Istraživači su uzgajali sadnice Arabidopsis – male biljke iz porodice senfa koja se obično koristi u istraživanju biljaka – iz linije koja je projektovana da proizvodi visoke nivoe imunološkog receptora koji oseća flagelin u svojim korenima. Kada se uzgajaju na pločama koje sadrže komadić flagelina koji aktivira ovaj receptor, koren sadnica je kratak i šiljast, jer je njihova energija više usmerena na imunitet nego na rast.
Eksperiment je uključivao uzgoj rasada na pločama sa flagelinom, kao i sa 165 različitih vrsta bakterija izolovanih iz korena Arabidopsis uzgojenog u zemlji. Od ovih izolata, 68 (41%) je potisnulo odgovor zastoja u rastu tako što je smanjio imunitet biljaka i omogućio da njihovo korenje raste duže.
Jedna od vrsta bakterija koja je omogućila da korenje najbolje raste bila je Diella japonica. Prethodni rad je pokazao da imunomodulaciona aktivnost ove vrste zavisi od sistema bakterijske sekrecije – proteinskog kompleksa koji može da pomera supstance iz bakterijskih ćelija u životnu sredinu, uključujući unutar biljnih ćelija ili prostore između biljnih ćelija.
Skeniranje genoma D. japonice otkrilo je gen koji kodira izlučeni enzim nazvan subtilaza, sa potencijalnom sposobnošću da seče flagelin na male komadiće i spreči ga da aktivira imuni odgovor.
Tim je koristio genetske i biohemijske metode kako bi pokazao da je enzim subtilaze zaista sposoban da razgradi specifični segment flagelina koji pokreće imuni odgovor. Degradacija je bila dovoljna da smanji imunološki odgovor i omogući povećan rast sadnica Arabidopsis.
Istraživači su naišli na neke prepreke kada su pokušavali da prečiste enzim subtilaze, rekao je Semjuel Istman, koautor rada i postdoktorski naučni saradnik u Konvejevoj laboratoriji. Dobijanje čistog proteina je neophodno za definitivno demonstriranje funkcije enzima u epruveti.
2023. Istman je predstavio poster o projektu na konferenciji u Providensu, Roud Ajlend, a obratio mu se Tod Nauman, hemičar iz Službe za poljoprivredna istraživanja USDA u Peoriji, Ilinois. Nauman je rekao da njegovo iskustvo sugeriše da bi enzim mogao biti prečišćen iz ćelija kvasca, a ne iz bakterija.
U roku od nekoliko meseci, Nauman je pročistio protein i poslao ga u Prinston.
„Sada možemo da radimo hemiju sa njim, i zapravo možemo da pogledamo ovo in vitro“, rekao je Eastman. „U mogućnosti smo da postignemo nivo istraživanja ovog proteina koji ne bi bio moguć bez te saradnje.
Nauman je koautor rada, zajedno sa osam drugih istraživača sa Prinstona, pored Istmana i Konveja. Proces skrininga i verifikacije 165 bakterijskih izolata bio je dugotrajan timski napor, a šest studenata je bilo sastavni deo ovog i drugih aspekata rada, rekao je Konvej. Britli Džons, članica Prinstonove klase 2023. godine, igrala je ključnu ulogu u skriningu bakterijske kolekcije kao deo svoje završne teze.
Eastman deli vodeće autorstvo rada sa postdoktorskim istraživačkim saradnikom Ting Jiangom i Kaeli Ficco, diplomiranim na Prinstonu 2024. godine, koji je sada doktor nauka. student na Univerzitetu Kornel. Kao deo svoje teze, Ficco je pomogla u projektovanju mutantnih bakterijskih sojeva koji su pokazali genetske potrebe za genom subtilaze u supresiji imuniteta i sama je razvila neke od eksperimentalnih metoda.
„Zaista mi se dopalo koliko je projekat zasnovan na otkrićima“, rekao je Fiko. „To je definitivno uticalo na moju putanju posle Prinstona. Sada počinje studije o regulaciji imuniteta od strane ljudskog mikrobioma.
Pored analize specifičnog enzima koji proizvodi D. japonica, tim je otkrio da se slični geni nalaze u mnogim uobičajenim bakterijama u zemljištu, a njihovi testovi su pokazali da desetine bakterijskih izolata mogu da potisnu imunitet izazvan flagelinom.
Sada bi želeli da bolje razumeju zašto ovi enzimi mogu biti korisni i za bakterije i za njihove biljne domaćine. Jedna hipoteza je da seckanje flagela patogena sprečava njihovo kretanje i invaziju na koren biljke.
„Dakle, na taj način bi mogao da potisne patogene, kao i imuni sistem biljaka“, rekao je Istman. Alternativna hipoteza je da ovi enzimi „suzbijaju imuni sistem tako da bi patogen mogao proći neotkriven i izazvati više bolesti nego što bi inače bio”.
Poslednji scenario bi bio problematičan u iskorištavanju ovog fenomena za poboljšanje rasta u poljoprivrednim okruženjima, jer bi mogao da učini biljke ranjivijim na bolesti. Dakle, potrebno je više studija, rekao je Eastman.
„Ne želimo da kompromitujemo imuni sistem, ali takođe želimo da biljke sačuvaju taj imuni odgovor kada je to važno“, rekao je on. „Želimo da ostanu mirni i da nastave da rastu.
