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. Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Plant Science.

Амилоидные фибриллы белка RopB клубеньковых бактерий, визуализированные при помощи атомной силовой микроскопии

Амилоидные фибриллы белка RopB клубеньковых бактерий, визуализированные при помощи атомной силовой микроскопии

 

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 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.

Исследование механизма формирования амилоидных фибрилл проводится при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 075-15-2021-1055). Часть экспериментов проводилась с использованием оборудования Научного парка СПбГУ и Центра коллективного пользования ФГБНУ ВНИИСХМ.

 

Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ