Петербургские биологи обнаружили, что амилоиды участвуют в важных взаимодействиях растений с бактериями

Коллектив исследователей из Санкт-Петербургского государственного университета, Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии, Института цитологии РАН и Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН определил, что симбиотические бактерии формируют амилоидные фибриллы в корневых клубеньках бобовых растений — особых органах, обеспечивающих фиксацию атмосферного азота. Это явление позволило обнаружить неизвестный ранее механизм, опосредствующий взаимодействие симбиотических бактерий с растением-хозяином, которое имеет высокую значимость для биотехнологии и сельского хозяйства. 

Белки представляют собой одни из важнейших биологических макромолекул, выполняющих разнообразные функции в нашем организме, например участвуя в обмене веществ в клетках. Некоторые белки способны формировать амилоиды — крупные комплексы, состоящие из множества молекул белка, соединенных многочисленными водородными связями.

Такая структура амилоидов придает им высокую стабильность: некоторые амилоиды способны в течение десятилетий сохраняться во внешней среде и выдерживать обработку различными химическими соединениями, разрушающими «обычные» белки. Амилоиды имеют нитевидную форму и уникальные свойства: например, при окрашивании красителем конго-красный амилоиды демонстрируют желто-зеленое свечение в поляризованном свете.

Как рассказал профессор руководитель исследования, исполняющий обязанности заведующего кафедрой генетики и биотехнологии СПбГУ, заведующий лабораторией протеомики надорганизменных систем ФГБНУ ВНИИСХМ профессор РАН Антон Нижников, в последние годы произошло переосмысление биологической роли амилоидов, которое привело к пониманию важности их функций у разных организмов. Так, например, в организме человека амилоиды, называемые «функциональными», отвечают за хранение некоторых гормонов и полимеризацию меланина.

У растений же запасные белки накапливаются в семенах в форме амилоидов при созревании, а затем быстро разбираются, когда семена прорастают. Эти белки помогают преодолевать длительные периоды неблагоприятных условий, когда требуется «законсервировать» питательные вещества.

В организме бактерий также обнаружено значительное разнообразие функциональных амилоидов, многие из которых опосредуют взаимодействия бактерий и организмов-хозяев. Этот процесс может приводить к развитию у хозяина инфекционных заболеваний, однако в некоторых случаях он оказывается полезным.

Биологи СПбГУ изучили функции амилоидных белков у симбионтов (участников взаимодействия между организмами) растений — клубеньковых бактерий, которые играют важную роль в сельском хозяйстве. Эти бактерии способны фиксировать атмосферный азот в симбиозе с некоторыми растениями — преимущественно бобовыми — и позволяют существенно уменьшить использование минеральных азотных удобрений, провоцирующих 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», — сообщил Михаил Белоусов, научный сотрудник кафедры генетики и биотехнологии СПбГУ, старший научный сотрудник лаборатории протеомики надорганизменных систем ФГБНУ ВНИИСХМ.

Ученые показали, что клубеньковые бактерии в симбиозе с бобовыми растениями формируют амилоидные фибриллы в корневых клубеньках — особых органах, которые растение образует при взаимодействии с симбиотическими бактериями, именно здесь происходит фиксация атмосферного азота. Кроме того, в клубеньках биологи обнаружили сходные с амилоидами комплексы запасных белков гороха.

«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», — рассказала старший научный сотрудник лаборатории структурной динамики, стабильности и фолдинга белков ИНЦ РАН Анна Сулацкая.

«В целом все эти данные позволили нам выдвинуть гипотезу о наличии в корневых клубеньках «сети» амилоидных белков, образуемых как клубеньковыми бактериями, так и растением-хозяином. Вероятно, такая «амилоидная сеть» может быть важна для эффективного взаимодействия растения со своим микросимбионтом — клубеньковой бактерией. В пользу этого предположения говорит тот факт, что белковые агрегаты, продуцируемые и растением, и бактериями, одновременно образуются в корневых клубеньках только в случае формирования эффективной азотфиксирующей надорганизменной растительно-микробной системы», — объяснил Антон Нижников.

Проведенное исследование впервые выявило участие амилоидов во взаимодействии растений с симбиотическими клубеньковыми бактериями. В настоящий момент коллектив продолжает изучение точной роли амилоидов в контроле этих взаимодействий. Так, можно предполагать, что амилоидные образования обеспечивают корректное пространственное расположение и защиту клеток бактерий в симбиотических клубеньках, а также участвуют в передаче сигналов между растением и его симбионтом.

Изучать амилоиды на кафедре генетики и биотехнологии СПбГУ под руководством академика Сергея Инге-Вечтомова начали еще в 90-х годах XX века: тогда был опубликован целый ряд прорывных работ мирового уровня, посвященных инфекционным амилоидам (прионам) дрожжей.

Эти работы внесли весомый вклад в формирование концепции белковой наследственности, постулирующей, что в качестве носителя наследственной информации может выступать не только последовательность звеньев (нуклеотидов) в нуклеиновых кислотах (ДНК, РНК), но и структура прионного белка, действующая подобно матрице, передающей свои свойства другим молекулам того же белка. Кафедра генетики и биотехнологии СПбГУ, основанная в 1919 году, является старейшей кафедрой генетики в России.

Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Plant Science.