Открытие амилоидов у растений может создать сорта с более питательными семенами
Группа исследователей, куда вошли ученые СПбГУ, впервые показала, что особые фибриллярные белки амилоиды содержатся в растениях — они отвечают за «консервацию» питательных веществ внутри семян. Благодаря этой работе, как недавно отметил авторитетный научный журнал Trends in Plant Science, теперь известно, что функциональные амилоиды используют представители почти всех крупных групп живых организмов: бактерии, археи, животные, грибы и растения. Это фундаментальное открытие в будущем может помочь повысить пищевую ценность семян растений и даже создать менее аллергенные сорта бобовых.
На упаковках доброй половины закусок и сладостей, в составе которых может и вовсе не быть орехов, часто встречается предупреждающая фраза: «Возможно содержание следов арахиса». У некоторых людей аллергия на этот продукт настолько сильна, что мельчайшие частицы ореха или даже его пыль вызывает неприятную и иногда опасную реакцию — от простой сыпи до серьезных отеков. В семенах арахиса содержится множество белков, часть из которых способна вызывать аллергию. Одним из самых сильных аллергенов является вицилин, который есть у различных бобовых, включая арахис и горох.
В своем исследовании, опубликованном в журнале PLOS Biology, группа ученых из СПбГУ, ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (ВНИИСХМ), Института цитологии РАН, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Казанского федерального университета и Университета Бургундии во Франции смогла впервые экспериментально показать (ранее им удалось предсказать это с помощью методов биоинформатики), что в семенах гороха посевного содержатся особые фибриллярные белки — амилоиды. Их раньше встречали у бактерий, архей, животных и грибов, но впервые нашли у растений. Что интересно, большую часть амилоидов в семенах гороха образует именно упомянутый выше белок вицилин.
«Вицилин — это один из важнейших пищевых аллергенов, который содержится в бобовых, — рассказал руководитель научного коллектива, доцент кафедры генетики и биотехнологии СПбГУ, заведующий лабораторией в ВНИИСХМ Антон Нижников. — Механизм его аллергенности потенциально может быть связан с открытыми нами амилоидными свойствами этого белка. Мы показали, что запасные белки, которые являются основным резервуаром питательных веществ для зародыша, накапливаются в семенах в виде амилоидов. В перспективе изучение этих механизмов может помочь создать менее аллергенные сорта гороха, арахиса и других бобовых».
«Интересно, что запасные белки семян не только гороха, но целого ряда растений, не относящихся к бобовым, по полученным нами биоинформатическим данным, оказались обогащены участками, склонными к формированию амилоидов, то есть компактных и стабильных фибриллярных агрегатов. Это объясняет способность семян переживать различные неблагоприятные условия и прорастать спустя долгие годы», — отметил первый автор исследования, доцент кафедры цитологии и гистологии СПбГУ, старший научный сотрудник ВНИИСХМ Кирилл Антонец.
Еще одно возможное прикладное значение этой работы — создание в будущем культур растений со сверхпитательными семенами. Эксперименты ученых in vitro (в пробирке) показали, что млекопитающие не способны полностью переваривать растительные амилоиды — их не могут расщепить пищеварительные ферменты. Как объясняет Антон Нижников, амилоиды значительно ухудшают пищевую ценность семян, поэтому важно понять, каким образом можно снизить образование амилоидов в семенах растений, чтобы получить сорта с бóльшим количеством обычных белков — такие культуры могут стать для человека особенно полезными и питательными.
«Сегодня мы также занимаемся изучением амилоидов клубеньковых бактерий — эти микроорганизмы способны вступать в симбиоз с бобовыми и связывать атмосферный азот, чтобы растения могли получать больше питательных веществ, — рассказал Антон Нижников. — Есть предположение, что во взаимовыгодном симбиотическом процессе амилоиды тоже могут играть важную роль, по крайней мере, у клубеньковых бактерий, как мы показали, тоже есть амилоиды. Надеемся, что наши открытия будут полезны для развития биологии растений и микробиологии, а также для сельского хозяйства».
Напомним, что особая фибриллярная форма белков — амилоиды — стала известна благодаря своей связи с рядом заболеваний, вызванных аномальной агрегацией белка, называемых амилоидозами. При этих тяжелых недугах мономерные растворимые белки превращаются в полимерные фибриллярные формы, образующие амилоидные «бляшки» в различных тканях и органах. Всего существует более 40 болезней человека, связанных с амилоидами, причем они с большим трудом поддаются лечению или являются вовсе неизлечимыми.
Все же, как подтверждает и данное исследование, в последние десятилетия ученые по всему миру находят все больше свидетельств тому, что амилоиды функционируют и в здоровых организмах: зачастую такая форма белка позволяет «законсервировать» и стабилизировать различные вещества, к тому же она выступает в качестве своеобразной структурной «матрицы». Происходит это не только в растениях. Например, у человека и животных часть гормонов запасается именно в форме амилоидов, а другие функциональные амилоиды участвуют в биосинтезе меланина и формировании долговременной памяти.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда № 17-16-01100. Экспериментальная часть работы была выполнена с использованием оборудования Научного парка СПбГУ.