Биологи выявили важные для сельского хозяйства свойства амилоидов
Формирование амилоидных фибрилл в корневых клубеньках бобовых растений симбиотическими бактериями — важного для сельского хозяйства механизма фиксации атмосферного азота, установила команда российских ученых, 7 декабря сообщает пресс-служба Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ).
Ученые СПбГУ, Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии, Института цитологии (ИНЦ) РАН и Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН совместно исследовали роль бактериальных амилоидов в симбиотических взаимодействиях бактерий с растением-хозяином (горохом), имеющих высокую значимость для биотехнологии и сельского хозяйства, которая ранее была недостаточно раскрыта.
Результаты исследования ученые представили в статье, опубликованной журналом Frontiers in Plant Science.
Известно, что белки это важнейшие биологических макромолекулы, которые в живом организме выполняют самые разнообразные функции, в том числе участвуют в обмене веществ в клетках.
Некоторые белки могут формировать амилоиды, представляющие собой крупные нитевидные комплексы из множества молекул белка, соединенных многочисленными водородными связями, которые придают им высокую стабильность. Так, некоторые амилоиды могут десятилетиями сохраняться во внешней среде и выдерживать воздействие различных химических соединений, которые разрушают «обычные» белки.
Кроме высокой стабильности, амилоиды обладают и другими уникальными свойствами. Например, окрашивание их красителем конго-красный вызывает в поляризованном свете свечение амилоидов в желто-зеленом спектре.
Руководитель исследования, и. о. завкафедрой генетики и биотехнологии СПбГУ, завлабораторией протеомики надорганизменных систем ФГБНУ Всероссийского НИИ сельскохозяйственной метеорологии (ВНИИСХМ) профессор РАН Антон Нижников рассказал, что в последнее время биологическая роль амилоидов была переосмыслена.
В результате у ученых сформировалось понимание важности их функций у разных организмов. В организме человека, например, так называемые функциональные амилоиды отвечают за хранение некоторых гормонов и полимеризацию меланина.
Растения при созревании семян накапливают в них запасы белков в форме амилоидов, которые быстро разбираются на отдельные молекулы, когда семена прорастают.
Белки в форме амилоидов помогают растениям выживать в длительные периоды неблагоприятных условий, когда требуется «законсервировать» питательные вещества.
Разнообразием функциональных амилоидов обладают бактерии, в их организме многие амилоиды участвуют во взаимодействии бактерий и организмов-хозяев. При этом их действие может вызывать у хозяина развитие инфекционных заболеваний, однако в других случаях оно оказывается полезным.
Ученые СПбГУ исследовали у клубеньковых бактерий-симбионтов функции амилоидных белков, участвующих во взаимодействиях между бактериями и растениями, которые играют важную роль в сельском хозяйстве.
Эти бактерии в симбиозе с некоторыми растениями, в основном бобовыми, улавливают атмосферный азот, обогащая им почву и позволяя снизить применение азотных удобрений, которые провоцируют вымывание полезных микроэлементов из почвы.
«Применение атомной силовой микроскопии позволило нам впервые изучить морфологию и жесткость фибрилл, образуемых амилоидным белком клубеньковой бактерии, с высоким разрешением», — рассказал научный сотрудник кафедры генетики и биотехнологии СПбГУ, старший научный сотрудник лаборатории протеомики надорганизменных систем ВНИИСХМ Михаил Белоусов.
Исследование установило, что в симбиозе с бобовыми растениями клубеньковые бактерии формируют амилоидные фибриллы в корневых клубеньках, которые растение образует при взаимодействии с симбиотическими бактериями. Именно в них происходит фиксация атмосферного азота. Также биологи обнаружили в клубеньках сходные с амилоидами комплексы запасных белков гороха.
Старший научный сотрудник лаборатории структурной динамики, стабильности и фолдинга белков ИНЦ РАН Анна Сулацкая пояснила полученные результаты:
«Мы показали, что амилоиды, образуемые растениями гороха, способны индуцировать формирование амилоидов белком клубеньковой бактерии RopB, что указывает на принципиальную возможность взаимодействия между бактериальными и растительными амилоидными белками в корневых клубеньках бобовых».
Эти данные позволили исследователям выдвинуть гипотезу о наличии в корневых клубеньках «сети» амилоидных белков, образуемых совместно клубеньковыми бактериями и растением-хозяином.
Вероятно, полагают ученые, такая «амилоидная сеть» играет важную роль в эффективном взаимодействии растения со своим симбионтом — клубеньковой бактерией.
Проведенная командой работа впервые показала участие амилоидов во взаимодействии растений с симбиотическими клубеньковыми бактериями.
Сейчас коллектив продолжает изучение на молекулярном уровне точной роли амилоидов в этих взаимодействиях, исходя из предположения, что амилоидные фибриллы обеспечивают корректное пространственное расположение и защиту клеток бактерий, находящихся в симбиотических клубеньках, а также участвуют в передаче сигналов между растением и его симбионтом.
