Растения, как и люди, иногда болеют. Но в отличие от человека и животных, защищенных иммунной системой, с недугом им приходится сражаться самостоятельно. Ученые Казанского института биохимии и биофизики (КИББ) КазНЦ РАН пытаются понять, как во время борьбы с болезнью меняется работа растительных генов. О том, что может привнести в науку это новое направление исследований, рассказывают директор КИББ академик Александр Гречкин и руководитель Лаборатории молекулярных основ патогенеза института, доктор биологических наук, профессор Владислав Чернов.
— В последние годы в области геномики, молекулярной биологии, генной инженерии велись интенсивные исследования, — подводит к сути дела Александр Николаевич, — открывались новые направления, создавались перспективные технологии и пр. Сейчас наступает постгеномная эра, в которой на первый план выходят новые направления исследований — транскриптомика, протеомика, метаболомика. Связано это с тем, что геномы многих организмов, включая человека, расшифрованы.
Вся совокупность белков клетки называется протеомом, который определяет ее структуру, физиологическое состояние и функции. Каждый белок отвечает за свою функцию в обмене веществ, энергетических и строительных задачах. Количество и состав белков постоянно изменяются. Одни выводятся из клеток, другие разрушаются, третьи преобразуются и т.д. В каждый момент времени клетка синтезирует только те виды органических соединений, которые нужны ей именно сейчас.
Каким образом клетка узнает о необходимости перемен? Здесь мы подходим к очень важному понятию клеточной сигнализации. Существует огромное количество соединений, осуществляющих обратную связь с геномом. От их деятельности зависит, как быстро будет изменяться протеом клетки, подстраиваясь под новые задачи. Эти так называемые сигнальные вещества, или вторичные посредники, и осуществляют точную настройку, “включая” и “выключая” различные гены.
Немало сигнальных систем уже изучено. Некоторые из них действуют схожим образом и в животных, и в растительных клетках, другие — нет. Именно на изучение сигнальных систем в растительных клетках направлена программа нашей научной школы, на поддержку которой выделен грант Президента РФ. Основал школу академик Игорь Анатольевич Тарчевский. Примерно четыре года назад он предложил возглавить ее мне, но сам остается активным участником работ в этой области.
Различными аспектами клеточной сигнализации в нашем институте занимаются несколько лабораторий. Группа Игоря Анатольевича исследует качественную регуляцию состава протеома: изучает, как различные сигнальные системы влияют на белковый состав клеток. Наша лаборатория занимается липидами растений, и мы выясняем устройство сигнальной системы, основанной на окислительном метаболизме ненасыщенных жирных кислот, при котором образуются разнообразные сигнальные вещества. Одни “включают” перепрограммирование генома, другие обладают цитостатической (подавляющей рост клеток) антимикробной активностью. Некоторые вещества могут перемещаться между различными органами растения и вызывать системную устойчивость к патогенам.
Наши интересы связаны главным образом с поиском новых биорегуляторов и изучением механизмов их образования. При этом используются методы биохимии и биоорганической химии в сочетании с возможностями, которые открывают молекулярная биология и генетическая инженерия. Мы также исследуем образование физиологически активных веществ, способных играть роль вторичных посредников. Уже идентифицировали большое количество совершенно новых природных соединений, возникающих в результате превращений ненасыщенных жирных кислот. Недавно обнаружили, расшифровали и клонировали неизвестный ранее ген, кодирующий новый фермент, синтезирующий антимикробное вещество.
Ученые нашего института исследуют различные аспекты функционирования сигнальных систем. Например, в лабораториях, которыми руководят доктора биологических наук Татьяна Горшкова, Фарида Минибаева и Фатима Каримова, изучают сигнальную роль производных сложных углеводов, активных форм кислорода, фосфорилированных белков. Регуляция работоспособности генов, их “включение” и “выключение” происходят в клетке непрерывно. И здесь важно понять, как работает механизм регуляции, когда клетка или весь организм попадают в экстремальные условия. Это другое направление исследований нашей школы, его ведет лаборатория Владислава Чернова.
— Более 20 лет мы исследуем молекулярные механизмы взаимодействия растений и фитопатогенов (возбудителей болезней), — вступает в разговор Владислав Моисеевич. — В качестве фитопатогенов были выбраны микоплазмы — мельчайшие микроорганизмы, имеющие очень маленький геном. Несмотря на низкую информационную емкость генома, микоплазмы обладают уникальной способностью выживания в разных условиях среды. Они служат возбудителями ряда социально-значимых заболеваний человека, животных, растений, а также основными загрязнителями культур, используемых в биотехнологиях. Но есть виды, которые инфицируют только растения.
У фитопатогена имеется набор атакующих средств, с помощью которых он проникает в растение, заражает его, добывая для себя питательные вещества. И здесь происходит “столкновение интересов”. С одной стороны, патогену нужно как можно дольше кормиться и размножаться на своем хозяине, а с другой — хозяину необходимо как можно быстрее освободиться от непрошеного гостя. Сигнальные молекулы, как с той, так и другой стороны, в этом случае играют большую роль в судьбе взаимодействующих организмов. Итог поединка паразита и хозяина связан с оперативностью сигнальных систем каждого.
В своих исследованиях мы впервые показали, что клетки микоплазм секретируют во внешнюю среду сферические окруженные мембраной наноструктуры — так называемые мембранные везикулы, которые обеспечивают сигнализацию, межклеточные взаимодействия и патогенез.
В природе растения заражаются микоплазмами либо посредством насекомых, либо напрямую из почвы. Чтобы проникнуть из почвы в корневую систему и далее, бактерии используют различные ферменты, способные разрушить крепкие стенки растительных клеток. У микоплазм эти процессы определяются мембранными везикулами. Вслед за мембранными везикулами в растения могут проникать и клетки микоплазм. Однако это происходит не всегда. Иногда после проникновения везикул клетки микоплазм остаются на корневых волосках растений и управляют инфекционным процессом извне посредством секреции везикул. Нам удалось выявить особенности ультраструктурных изменений растений в том и другом случаях, а также изменений у них транскриптома (совокупности всех молекул РНК в клетке) и протеома. Мы выяснили, какие ответные реакции происходят у растений на протеомном уровне, и идентифицировали некоторые патоген-реактивные белки, включающиеся для борьбы с инфекцией или, напротив, выключающиеся.
Контроль микоплазменных инфекций — одна из серьезнейших научных проблем. Наши исследования показали: существующий способ диагностики микоплазм ненадежен, поскольку основывается на том, что их клетки проникают в растения. В растениях, как уже отмечалось, могут присутствовать не клетки микоплазм, а мембранные везикулы, которые содержат только некоторые гены фитопатогена. Именно эти гены должны использоваться в качестве диагностических маркеров при обнаружении как клеток, так и везикул микоплазм.
— Как вы, наверное, знаете, — добавляет Александр Николаевич, — народная медицина основана на фитотерапии, то есть на использовании различных растительных средств. И это не случайно. Я напомню, что у растений нет такой иммунной системы, как у высших животных и человека. Но у них есть разнообразнейшие средства для самоврачевания, в том числе и направленные против воздействия чужеродных организмов. Поэтому физиологически активные вещества растительного происхождения представляют большой интерес для медицины и фармакологии. Сейчас уже наука подходит к тому, чтобы не интуитивно, а осознанно применять фитопрепараты, имеющиеся в арсенале народной медицины. И мы надеемся, что наши исследования сигнальных систем высших растений помогут в этом. Кроме того, наши исследования помогут создать препараты нового поколения для защиты растений от фитопатогенных микроорганизмов.
Беседовал
Василий ЯНЧИЛИН
Фото с сайта института
Нет комментариев