V úrodné zemědělské půdě vedou bakterie svrab Streptomyces válku proti bramborám pomocí chemikálií souvisejících s výbušninami a pesticidy.
Ale mikrobiální spoiler zneškodňuje jeden z jedů S. scabies. Výzkumníci z Georgia Institute of Technology získali nové poznatky o jedinečném mechanismu, který používá a který by jednoho dne mohl přispět k vývoji nových látek, které by degradovaly těžké znečišťující látky a pomohly zachránit více běžné plodiny.
Když Streptomyces scabies infikuje brambory, vyvrhne jedy zvané thaxtominy, které brambory prošpikují známými tmavými strupy. Možná je to maličkost pro znalce brambor, když je ořízne krájecím nožem, ale skvrny znamenají lomítko v zemědělské produkci v celosvětovém měřítku.
Bezprecedentní pohyby
Vědci zkoumající bramborovou půdu našli bakterie druhu Bradyrhizobium sp. Rušení běhu JS329. Přestože jejich tvrdé enzymy thaxtominy nerozkládají, zneškodňují další toxickou sekreci S. scabies zvanou kyselina 5-nitroanthranilová (5-NAA).
Zejména jeden enzym používá zdánlivě bezprecedentní a velkolepé chemické triky k rozbití jinak pevné chemické struktury 5-NAA.
Výzkumníci je odhalili a výsledky zveřejnili v časopise Nature Chemical Biology. Výzkum byl financován National Science Foundation, Pew Charitable Trusts, Georgia Internship for Teachers a U. S. Department of Energy.
Chemická válka
S. bakterie svrabu jsou mistry chemické války, a to nejen proti bramborám.
„Tato rodina bakterií je známá schopností syntetizovat spoustu různých molekul, včetně těch, které lidé používají jako antibiotika,“řekla vedoucí výzkumnice Raquel Lieberman, docentka na Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry.
"Jsou dobří v zabíjení jiných organismů," řekla. Ačkoli thaxtominy, které vylučují, jsou dobře známé pro ničení brambor, o toxinu 5NAA se toho ví jen málo.
Porozumění tomu, jak se rozděluje, by však mohlo být pro zemědělství užitečné. "Molekula 5NAA je dostatečně podobná thaxtominu, že studium její degradace by mohlo inspirovat budoucí práci na inženýrství enzymu nebo bakterie, nebo dokonce samotné rostliny, aby detoxikovaly thaxtomin," řekl Lieberman.
Enzymatické kung-fu
5NAA se setkala se svým soupeřem v bakterii Bradyrhizobium sp. JS329, kterému budeme zkráceně říkat „Brady“.
"Brady" produkuje enzymy, které mohou bojovat proti 5NAA, z nichž první se nazývá 5NAA-A. Přidané „A“za pomlčkou znamená „aminohydrolázu“, termín, který znamená, že používá vodu ke změně části toxinu 5NAA.
„Substituční reakce“, kterou provádí enzym 5NAA-A, je běžná v organické syntéze, ale extrémně vzácná u živých tvorů. "Je potvrzen pouze jeden další známý enzym, který využívá tento konkrétní chemický mechanismus," řekl Lieberman.
Liebermanův tým, který se specializuje na výrobu proteinových krystalů enzymů jako 5NAA-A, pozoroval okamžik následující reakce. "Podařilo se nám zachytit kritický krok (hydrolýzu) v krystalu pro tento papír," řekla.
"To dělá šílenou chemickou reakci," řekl Lieberman. 5NAA-A pomáhá ničit toxin 5NAA dvěma způsoby, které jsou opravdu zvláštní, jako jsou podivné pohyby Kung Fu.
Zlomit špatnou ruku
Toxin 5NAA vstupuje do bakterie „Brady“se smrtící zbraní. Součástí jeho struktury je nitroskupina neboli NO2, což z 5NAA dělá nitroaromatickou sloučeninu.
"V zásadě jsou všechny tyto nitroaromáty buď výbušné, nebo toxické," řekl Lieberman. "TNT se od této sloučeniny až tak neliší."
Spousta bakterií vyvinula enzymy pro boj se syntetickými nitroaromatickými látkami – znečišťujícími látkami, jako jsou barviva, pesticidy nebo výbušniny, které se dostaly do našeho životního prostředí. Enzymy mají tendenci používat stejnou strategii. "Nitroskupiny jsou obvykle prvním cílem jakéhokoli degradujícího enzymu, protože jsou tak toxické," řekl Lieberman.
Ne tak pro enzym 5NAA-A.
Jde o další skupinu toxické molekuly, amin, který je neškodný. Je to trochu jako když mistr Kung Fu zlomí paži opačnou, než má zbraň. Ale funguje to.
Hydrolýzou aminu nastaví enzym 5NAA-A toxin 5NAA ke zničení jinými enzymy. "Skutečnost, že to dělá bez odstranění nitro, je zvláštní část. Je to neočekávaný krok," řekl Lieberman.
Kryptonitská sebevražda
Pak je tu ta podivnost kolem metalu.
5NAA-A je metaloproteáza, enzym, který ke své práci potřebuje kovový iont. Ale na rozdíl od jiných metaloproteáz v sobě žádnou nemá. Může pracovat s jedním ze čtyř různých kovů, ale zdá se, že 5NAA-A nemůže najít kov sám.
"Spoléhá na 5NAA, že to přinese na večírek," řekl Lieberman.
Jinými slovy, zdá se, že jed 5NAA vtahuje kovový iont až k enzymu 5NAA-A, který jej pak odebere a použije ke zničení jedu. Je to jako když Superman předá kryptonit úhlavnímu nepříteli.
"Alespoň si myslíme, že se to děje," řekl Lieberman. "Budeme dále prozkoumávat podrobnosti."
Samotářský mistr
Součet podivných způsobů 5NAA-A vedl Liebermanův tým ke kontrole obrovské genomové databáze na shodu genové sekvence, která může produkovat enzym jako 5NAA-A. Našli pouze jeden jediný známý jiný příklad na Zemi.
„Ta sekvence genu enzymu pochází ze sedimentu v Yellowstonském národním parku,“řekl Lieberman. Zatím není potvrzeno, že bakterie, které ho ukrývají, skutečně detoxikují 5NAA, i když je to pravděpodobné.
I kdyby tomu tak bylo, enzym 5NAA-A zůstává neobyčejně vzácný, vzhledem k nesčetným mikrobům na Zemi produkujících ještě vyšší počet enzymů. "Skutečnost, že může existovat jen jeden další, je ohromující," řekl Lieberman.
Výzkumní pracovníci střední školy
Další raritou je středoškolský učitel přírodních věd, který je jedním z autorů výzkumné práce. Casey Bethel, který byl jmenován učitelem roku v Georgii za rok 2017, pomohl ostatním výzkumníkům prolomit bariéru, která brzdila pokrok.
"Používáme takzvané značky k identifikaci enzymu, který nás zajímá, když jej jdeme sklízet. Měli jsme podezření, že značky zasahují do procesu krystalizace," řekl Bethel. Naklonoval tedy proteiny s odnímatelnými tagy, což výrazně pomohlo projektu posunout se vpřed.
Bethel se podílí na hlavním informačním centru Georgia Tech K-12, CEISMC, které mimo jiné podporuje vzdělávání STEM mezi populacemi s nedostatečnými službami ve veřejných školách v Georgii. A už tři roky mu CEISMC pomáhá zlepšovat jeho učitelské dovednosti.
Bethel také přivedl studenty středních škol, aby s ním pracovali v Liebermanově laboratoři. Je nadšený, že on – a oni – mohli být součástí studie. "Fantastické! Nepředstavitelné! Kdo by si pomyslel, že středoškolský učitel bude publikován v časopise Nature?" Bethel řekl.
Od té doby, co začal s dosahem Georgia Tech, Bethel viděl, že nejméně 60 jeho bývalých studentů si vybralo STEM studium a kariéru. "Zatímco dříve se číslo blížilo nule," řekl. "Je to nepopsatelné. Je to významné, velkolepé a působivé. Nikdy nebudu schopen změřit dopad."
