作物に大損害を与え、私たちの食糧供給を脅かす細菌の多くは、共通の戦略を使って病気を誘発します。つまり、有害なタンパク質の組み合わせを植物細胞に直接注入します。生物学者の何盛陽氏と彼の上級研究員である野村真也氏は、植物の病原体がイネからリンゴ園に至るまで、世界中の何百もの作物に病気を引き起こすために使用する一連の分子を25年間研究してきました。
今回、3つの共同研究グループが、これらの分子がどのようにして植物を病気にするのか、そしてその病気を元に戻す方法についての答えをついに見つけた。
関連する研究結果は、9月13日付けでNature誌に掲載された。
研究室の研究者らは、この致命的なカクテルの主要成分であるAvrE/DspEと呼ばれる注入タンパク質ファミリーを研究している。これらは、豆の褐斑病からトマトの細菌性斑点、果樹の火枯病に至るまで、さまざまな病気を引き起こす。
1990 年代初頭に発見されて以来、植物の病気を研究する人々はこのタンパク質ファミリーに強い関心を持ってきました。それらは細菌兵器庫の重要な武器です。研究室でそれらを除去することで、危険な細菌を無害にすることができます。しかし、何十年にもわたる努力にもかかわらず、それらがどのように機能するかについての多くの疑問は未解決のままです。
研究者らは、AvrE/DspEファミリーの多くのタンパク質が植物の免疫系を抑制したり、感染の最初の兆候である植物の葉に水に濡れた黒い斑点を形成したりする可能性があることを発見した。彼らは、糸上のビーズのように結合してタンパク質を形成するアミノ酸の基本配列さえ知っています。しかし、彼らはアミノ酸の列がどのようにして三次元の形状に折り畳まれるのかを知らなかったので、それらがどのように機能するかを簡単に説明することができませんでした。
問題の一部は、このファミリーのタンパク質が非常に大きいことです。一般的な細菌タンパク質は 300 個のアミノ酸しか持たない場合がありますが、AvrE/DspE ファミリーのタンパク質は 2,000 個のアミノ酸を持ちます。
研究者らは手掛かりを求めて同様の配列を持つ他のタンパク質を探したが、既知の機能を持つタンパク質は見つからなかった。
「それらは奇妙なタンパク質だ」と彼は言った。そこで彼らは、人工知能を使用して特定のアミノ酸列の三次元形状を予測する、2021 年にリリースされた AlphaFold2 と呼ばれるコンピューター プログラムに注目しました。
研究者らは、この科のメンバーの一部が細菌が植物の免疫システムから隠れるのを助けていることを知っています。しかし、初めてタンパク質の三次元構造を見たとき、彼らは別の役割を発見しました。
「このモデルを最初に見たとき、私たちが想像していたものとはまったく異なっていました」と研究共著者でデューク大学の生化学教授であるペイ・ジョウ氏は語った。
研究者らは、ナシ、リンゴ、トマト、トウモロコシなどの作物に感染する細菌タンパク質の AI 予測を研究し、それらはすべて同様の三次元構造を持っていることを発見しました。折りたたむと、ストローのような円筒形の茎を持つ小さなキノコのように見えます。
予測された形状は、果樹に火傷病を引き起こす細菌タンパク質の極低温電子顕微鏡を使用して撮影された画像とよく一致しました。上から下に見ると、タンパク質は中空のチューブによく似ています。
このことから研究者らは、おそらく細菌はこれらのタンパク質を使って植物の細胞膜に穴を開け、感染過程で「宿主に水を強制的に飲ませている」のではないかと考えた。
細菌が葉に侵入するとき、細菌が最初に接触する領域の 1 つは、細胞質と呼ばれる細胞間の空間です。通常、植物は光合成に必要なガス交換を可能にするためにこの領域を乾燥した状態に保ちます。しかし、バクテリアが侵入すると、葉の中に水がたまり、バクテリアが餌を食べて繁殖するための湿った快適な楽園が形成されます。
火傷病タンパク質の予測された三次元モデルをさらに研究したところ、ストロー状の構造の外側は耐水性であるが、その中空の中心部は水に対して特別な親和性を持っていることが明らかになりました。
水路仮説を検証するために、研究チームはデューク大学の生物学教授 Dong Ke と彼の研究室の博士研究員で共筆頭著者の Felipe Andreazza と協力しました。彼らは、細菌タンパク質AvrEとDspEの遺伝子情報をカエルの卵に追加し、これらのタンパク質を作る細胞工場として卵を使用しました。カエルの卵を希釈した生理食塩水の中に入れます。水分が多すぎると卵が急速に膨張し、破裂する可能性があります。
研究者らはまた、これらの細菌タンパク質のチャネルをブロックすることで、これらのタンパク質のブロックを解除しようと試みた。野村氏は、PAMAM デンドリマーと呼ばれる小さな球状ナノ粒子の一種に注目しました。このようなデンドリマーは 20 年以上にわたって薬物送達に使用されており、実験室で正確な直径の粒子を作ることができます。
「私たちの仮説は、適切な直径の化学物質を見つければ、毛穴をふさぐことができるかもしれないというものでした」と彼は言う。
さまざまなサイズの粒子をテストした結果、火傷病原体であるエルウィニアアミロヴォラによって生成されるアクアポリンをブロックするのにちょうどよいサイズであると思われる粒子が見つかりました。
彼らは、このタンパク質を合成できるカエルの卵を採取し、PAMAM ナノ粒子で水を与えたので、水がカエルの卵に流れ込まなくなりました。膨らみません。
彼らはまた、細菌斑点を引き起こす病原体シュードモナス・シリンガエに感染したシロイヌナズナ植物も治療した。チャネルをブロックするナノ粒子は細菌の増殖を阻止し、植物の葉の病原体濃度を最大 100 分の 1 に減少させました。
これらの化合物は他の細菌感染症に対しても効果があります。研究者らは、火傷病の原因となる細菌にさらされたナシの果実でも同じ実験を行ったが、果実には症状が現れず、細菌によって病気になることはなかった。
「長いプロセスでしたが、うまくいきました」と彼は語った。 「私たちはこれにとても興奮しています。」
研究者らは、この発見は多くの植物の病気を制御するための新しいアイデアを提供する可能性があると述べている。私たちが食べる食べ物の80％は植物によって作られています。しかし、世界の食料生産の10％以上（小麦、米、トウモロコシ、ジャガイモ、大豆などの作物）は毎年植物病原菌や害虫によって失われ、世界経済に2,200億ドルもの損失を与えています。
研究チームはこの方法について仮特許を申請した。次のステップは、チャネルを遮断するナノ粒子とチャネルタンパク質がどのように相互作用するかをより詳細に調べることで、この保護がどのように機能するかを解明することだと、周氏と共同筆頭著者で周氏の研究室の博士課程学生であるジエ・チェン氏は述べた。
「これらの構造をイメージできれば、より良い作物保護ソリューションをより深く理解し、設計できるようになります」と周氏は語った。