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El descubrimiento de receptores inmunes a las plantas puede ayudar a los científicos a combatir las pandemias agrícolas
Una nueva investigación muestra cómo las plantas reconocen directamente los patógenos y cómo ayudarlos a luchar contra otros atacantes.
¿Qué tienen en común los plátanos, el trigo, el chocolate y los seres humanos? Todos están en medio de pandemias mortales. Los seres humanos tienen las herramientas para defenderse; las plantas necesitan ayuda.
"Hay tres pandemias en el mundo vegetal en este momento en todo el mundo", dice Brian Staskawicz, Director de Agricultura Sostenible en Innovative Genómica Institute, y profesor de biología vegetal y microbiana en UC Berkeley. “Los plátanos están siendo amenazados por Fusarium Hongo Tropical Race 4, que ahora se ha encontrado en América Latina y es una seria preocupación. Una enfermedad llamada 'explosión del trigo' ha aparecido en África y está amenazando el trigo del mundo y la seguridad alimentaria en general. Un tercero amenaza una planta cercana y querida por todos: el chocolate ”.
Aproximadamente la mitad del chocolate del mundo se cultiva en África occidental y está amenazado por los brotes hinchados del cacao virus, la detección transmitida por cochinillas que mata rápidamente las plantas de cacao. Las predicciones más espantosas predicen un futuro impensable sin chocolate, uno que podría estar a solo 10 años de distancia.
In un nuevo estudio publicado esta semana en la revista la Cienciace, Los investigadores de IGI dieron un paso crítico para ayudar a las plantas a combatir los patógenos sin pesticidas u otras toxinas. Staskawicz con la co-investigadora principal Eva Nogales y su equipo han descubierto la estructura y función de un resistosoma, un receptor inmune de las plantas que reconoce los patógenos y activa una fuerte defensa. Pero al igual que en los humanos, las respuestas inmunitarias de las plantas no son perfectas y no tienen armas efectivas para combatir todos los patógenos. Con esta estructura, el equipo de IGI ahora tiene una hoja de ruta para brindar a las plantas nuevas herramientas para contraatacar.
Cómo se defienden las plantas
Tanto las plantas como los animales responden a los patógenos con proteínas , que son nucleótido-Unión Receptores de repetición ricos en leucina (NLR) que detectan la presencia de patógenos e inician alguna forma de respuesta inmune.
“Todos los patógenos entregan proteínas a sus huéspedes. Son estos receptores los que interceptan esas proteínas y desencadenan la resistencia al patógeno ”, dice Staskawicz.
El equipo de IGI se centró en un receptor NLR específico llamado ROQ1 obtenidos de Nicotiana benthamiana, un tipo de planta de tabaco de la familia de las solanáceas. En 1994, el Laboratorio de Staskawicz fue el primero en aislar el letra singular secuencias para estos tipos de NLR los genes, pero hasta ahora, 26 años después, nadie había podido averiguar la estructura de la molécula, que es clave para comprender cómo el receptor reconoce al patógeno y desencadena una respuesta inmune.
Resolviendo el rompecabezas estructural
Los investigadores han estado tratando de comprender la estructura de los resitosomas vegetales desde la década de 1990, pero tuvieron que esperar a que surgieran las técnicas que lo harían posible.
“El método que usamos es la microscopía electrónica, una técnica que ha existido durante mucho tiempo, pero solo en los últimos seis o siete años la metodología ha mejorado lo suficiente como para obtener estructuras atómicas”, dice Eva Nogales, co- PI del estudio, codirector del Instalación de Cal-Cryo en QB3-Berkeley, y científico principal de la facultad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. “Este es un conjunto de proteínas de gran tamaño, tiene regiones flexibles y no es trivial producirlo en grandes cantidades. Así que la cristalización y los métodos más tradicionales simplemente no han podido manejarlo ".
"No trivial" resulta ser un eufemismo. Normalmente, cuando los investigadores utilizan microscopía electrónica, utilizan insectos o bacteriano (SCD por sus siglas en inglés), cultivos para producir artificialmente muchas copias de la molécula en cuestión. En este caso, el primer autor Raoul Martin, un Ph.D. candidato en el laboratorio de Nogales, tuvo que volver a la planta de tabaco en sí porque los métodos de cultivo celular fallaron repetidamente en producir proteína utilizable.
“La cantidad que obtendríamos de las hojas de tabaco era tan pequeña que ni siquiera podía medir la concentración con métodos estándar”, dice Martin.
Tuvo que desarrollar un nuevo protocolo para tratar de maximizar la posibilidad de capturar una molécula adecuada para la obtención de imágenes, y después de 12 intentos, logró obtener solo uno que funcionó, y funcionó a la perfección.
Tener cantidades suficientes de la molécula para obtener imágenes es un obstáculo; el siguiente es poder capturar con precisión una imagen de la estructura. Esto fue posible gracias a estar en UC Berkeley: el Instalación de Cal-Cryo tiene microscopios crioelectrónicos de última generación para realizar experimentos de imágenes de alta resolución a temperaturas extremadamente bajas. Instalaciones como esta solo están disponibles en algunos lugares del mundo.
Nogales encuentra el ROQ1 estructura especialmente interesante, no solo por su biología, sino por una razón que incluso un no biólogo puede entender fácilmente: es hermosa.
“He estado trabajando en la obtención de imágenes de estructuras moleculares durante más de 20 años, y solo recuerdo otra vez que me sorprendió tanto la belleza de una estructura, y esa fue la primera vez que Jennifer Doudna CRISPR estructura llamada 'cascada,' cuales parece un caballito de mar”, Dice Nogales.
Una similitud sorprendente
Para Raoul Martin, no fue solo la belleza de la molécula lo que lo detuvo en seco, sino que la estructura le pareció extrañamente familiar. La forma en que los bucles del ROQ1 La molécula de reconocimiento de patógenos era notablemente similar a los anticuerpos que se encuentran en los mamíferos.
“Di un paso atrás y dije: 'Oh, espera un minuto'”, dice Martin. “Todo bioquímico ha visto la estructura de un anticuerpo. Esta es una de las cosas clásicas sobre las que aprendes, y trabajé en un laboratorio como estudiante que las estudió. Tan pronto como vi la estructura, pensé: 'Vaya, se ve exactamente como los pliegues que he visto en los anticuerpos' ”.
Las estructuras son claramente un ejemplo de evolución convergente según Martin. En otras palabras, no derivaron del mismo antepasado, pero llegaron a una estrategia similar para defenderse de los ataques a nivel molecular.
El equipo pudo demostrar que los bucles en un extremo de la molécula compleja en forma de hoja de trébol pueden reconocer directamente proteínas patógenas, la primera vez que esto se ha demostrado en plantas. Cuando esto sucede, el ROQ1 La molécula se transforma de una manera que activa una respuesta defensiva en el tejido vegetal. Además, la estructura también parece tener un mecanismo que inactiva directamente la proteína patógena.
Inmunidad de ingeniería
La similitud con los anticuerpos de mamíferos no es solo un ejemplo interesante de simetría evolutiva, sino que sugiere un curso de acción para el equipo de IGI. Ahora que entienden cómo el resistosoma vegetal reconoce los patógenos usando bucles específicos de la molécula, saben por un trabajo similar en animales que es posible rediseñar esos bucles para reconocer, y con suerte luchar contra, otros patógenos. Es decir, pueden crear new genes de resistencia diseñados para proteger a las plantas de atacantes específicos, como proteger a los plátanos de Fusarium, trigo de la ráfaga de trigo y chocolate del virus del brote hinchado del cacao. Cada sistema de planta es diferente en los detalles, pero los principios siguen siendo los mismos.
Este hallazgo plantea una importante pregunta evolutiva: si los bucles de los resistosomas reconocen patógenos específicos, ¿cómo adquirieron resistencia las plantas en primer lugar? ¿Y por qué carecen de resistencia a otros patógenos?
“Mi sensación es que después de que resolvamos alrededor de un centenar de estas estructuras, podremos tener una teoría mejor”, dice Staskawicz. "Cuantas más estructuras tengamos, mejor estaremos".
Para Martin, este proyecto fue especialmente gratificante porque su anterior proyecto de investigación durante su doctorado. los estudios habían fracasado. Este proyecto dio un giro completo a su investigación doctoral.
"Puedo decir esto", bromea Martin, "el tabaco mata, pero salvó mi doctorado".
Más información:
Estructura del resistosoma ROQ1 activado que reconoce directamente al patógeno efector XopQ
Perspectiva: formación de enzimas por receptores inmunes
Contacto con los medios
Andy Murdock: andymurdock@berkeley.edu
