농작물에 피해를 입히고 식량 공급을 위협하는 많은 박테리아는 질병을 유발하기 위해 공통 전략을 사용합니다. 유해한 단백질 조합을 식물 세포에 직접 주입합니다. 생물학자 Shengyang He와 그의 수석 연구원 Shinya Nomura는 식물 병원체가 쌀에서 사과 과수원에 이르기까지 전 세계 수백 가지 작물에 질병을 일으키는 데 사용하는 분자 세트를 25년 동안 연구해 왔습니다.
이제 세 개의 공동 연구 그룹이 마침내 이러한 분자가 식물을 병들게 하는 방법과 이를 취소하는 방법에 대한 답을 찾았습니다.
관련 연구 결과는 학술지 네이처(Nature) 9월 13일자에 게재됐다.
연구실의 연구원들은 AvrE/DspE라는 주입 단백질군인 이 치명적인 칵테일의 핵심 성분을 연구합니다. 이 단백질은 콩의 갈색 반점부터 토마토의 박테리아 반점, 과일 나무의 화재 마름병에 이르기까지 다양한 질병을 유발합니다.
1990년대 초 발견 이후 식물 질병을 연구하는 사람들은 이 단백질군에 깊은 관심을 가져왔습니다. 그들은 박테리아 무기고의 핵심 무기입니다. 실험실에서 이를 제거하면 위험한 박테리아를 무해하게 만들 수 있습니다. 그러나 수십 년의 노력에도 불구하고 작동 방식에 대한 많은 질문에 대한 답이 남아 있습니다.
연구자들은 AvrE/DspE 계열의 많은 단백질이 식물의 면역 체계를 억제하거나 식물 잎에 물에 젖은 검은 반점을 형성할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이는 감염의 첫 징후입니다. 그들은 심지어 끈의 구슬처럼 서로 결합하여 단백질을 형성하는 아미노산의 기본 서열도 알고 있습니다. 그러나 그들은 아미노산의 사슬이 어떻게 3차원 형태로 접혀지는지 몰랐기 때문에 그것이 어떻게 작용하는지 쉽게 설명할 수 없었습니다.
문제의 일부는 이 계열의 단백질이 너무 크다는 것입니다. 일반 박테리아 단백질은 아미노산이 300개에 불과한 반면, AvrE/DspE 계열 단백질은 아미노산이 2,000개에 불과합니다.
연구자들은 단서를 찾기 위해 비슷한 서열을 가진 다른 단백질을 찾았지만 알려진 기능을 가진 단백질은 발견하지 못했습니다.
"그들은 이상한 단백질이다"라고 그는 말했다. 그래서 그들은 2021년에 출시된 AlphaFold2라는 컴퓨터 프로그램에 눈을 돌렸습니다. 이 프로그램은 인공 지능을 사용하여 주어진 아미노산 문자열의 3차원 모양을 예측합니다.
연구자들은 이 과의 일부 구성원이 박테리아가 식물의 면역체계로부터 숨는 것을 돕는다는 것을 알고 있습니다. 하지만 처음으로 단백질의 3차원 구조를 보고 또 다른 역할을 발견했습니다.
"우리가 이 모델을 처음 봤을 때 우리가 상상했던 것과는 완전히 달랐습니다."라고 듀크 대학교 생화학 교수이자 연구 공동 저자인 페이 조우(Pei Zhou)는 말했습니다.
연구자들은 배, 사과, 토마토, 옥수수와 같은 작물을 감염시키는 박테리아 단백질에 대한 AI 예측을 연구한 결과 모두 유사한 3차원 구조를 가지고 있음을 발견했습니다. 그들은 빨대처럼 원통형 줄기가 있는 작은 버섯으로 접혀 있는 것처럼 보입니다.
예측된 모양은 과일 나무에 화재병을 일으키는 박테리아 단백질의 저온 전자 현미경을 사용하여 캡처한 이미지와 밀접하게 일치했습니다. 위에서 아래로 보면 단백질은 속이 빈 튜브처럼 보입니다.
연구자들은 아마도 박테리아가 이 단백질을 사용하여 식물 세포막에 구멍을 뚫고 감염 과정에서 "숙주가 물을 마시도록 강요"할 것이라고 생각하게 되었습니다.
박테리아가 잎에 들어갈 때 가장 먼저 접촉하는 영역 중 하나는 세포질이라고 불리는 세포 사이의 공간입니다. 일반적으로 식물은 광합성에 필요한 가스 교환을 위해 이 부위를 건조한 상태로 유지합니다. 그러나 박테리아가 침입하면 잎 내부에 물이 축적되어 그들이 먹고 번식할 수 있는 촉촉하고 편안한 천국을 만듭니다.
화재 역병 단백질의 예측된 3차원 모델에 대한 추가 연구에서는 밀짚 모양 구조의 외부가 방수 기능을 갖고 있는 반면 속이 빈 코어는 물에 대한 특별한 친화력을 갖고 있음이 밝혀졌습니다.
물 채널 가설을 테스트하기 위해 연구팀은 듀크 대학교 생물학 교수인 Dong Ke와 그의 연구실 박사후 연구원이자 공동 제1저자인 Felipe Andreazza와 협력했습니다. 그들은 개구리 알에 박테리아 단백질인 AvrE와 DspE에 대한 유전자 정보를 추가했으며, 알을 세포 공장으로 사용하여 단백질을 만들었습니다. 개구리 알을 희석된 식염수에 넣습니다. 물이 너무 많으면 계란이 빠르게 부풀어 오르고 터질 수 있습니다.
연구자들은 또한 채널을 차단하여 이러한 박테리아 단백질의 차단을 해제하려고 시도했습니다. Nomura는 PAMAM 덴드리머라고 불리는 일종의 작은 구형 나노입자에 초점을 맞췄습니다. 이러한 덴드리머는 20년 이상 약물 전달에 사용되어 왔으며 실험실에서 정확한 직경의 입자로 만들 수 있습니다.
"우리의 가설은 올바른 직경의 화학물질을 발견하면 모공을 막을 수 있다는 것이었습니다."라고 그는 말했습니다.
다양한 크기의 입자를 테스트한 후, 그들은 화재병 병원균인 Erwiniaamylovora가 생성하는 아쿠아포린을 차단하는 데 딱 맞는 크기라고 생각되는 입자를 발견했습니다.
그들은 이 단백질을 합성할 수 있는 개구리 알을 채취해 PAMAM 나노입자로 물을 주어 더 이상 물이 개구리 알로 흘러 들어가지 않도록 했습니다. 부풀어 오르지 않습니다.
그들은 또한 박테리아 반점을 유발하는 병원균인 Pseudomonas syringae에 감염된 애기장대 식물을 치료했습니다. 채널 차단 나노입자는 박테리아 성장을 막아 식물 잎의 병원균 농도를 최대 100배까지 감소시켰습니다.
이 화합물은 다른 박테리아 감염에도 효과적입니다. 연구자들은 배 열매에 대해 동일한 실험을 했는데, 배 열매는 화재 마름병을 일으키는 박테리아에 노출되었지만 열매에서는 전혀 증상이 나타나지 않았습니다. 박테리아가 병을 일으키지 않았습니다.
"긴 과정이었지만 효과가 있었습니다."라고 그는 말했습니다. "우리는 이것에 대해 매우 기대하고 있습니다."
연구자들은 이번 발견이 많은 식물 질병을 통제하기 위한 새로운 아이디어를 제공할 수 있다고 말합니다. 우리가 먹는 음식의 80%는 식물에서 생산됩니다. 그러나 밀, 쌀, 옥수수, 감자, 대두와 같은 작물 등 전 세계 식량 생산량의 10% 이상이 매년 식물 병원균과 해충으로 인해 손실되어 세계 경제에 2,200억 달러에 달하는 비용을 초래합니다.
연구팀은 이 방법에 대해 가특허를 신청했다. 다음 단계는 채널 차단 나노입자와 채널 단백질이 어떻게 상호작용하는지 더 자세히 살펴봄으로써 이러한 보호가 어떻게 작동하는지 알아내는 것이라고 Zhou와 공동 제1저자인 Zhou 연구실의 박사과정 학생인 Jie Cheng이 말했습니다.
"우리가 이러한 구조를 이미지화할 수 있다면 더 나은 작물 보호 솔루션을 더 잘 이해하고 설계할 수 있습니다"라고 Zhou는 말했습니다.