Muchas de las bacterias que causan estragos en los cultivos y amenazan nuestro suministro de alimentos utilizan una estrategia común para inducir enfermedades: inyectan combinaciones de proteínas dañinas directamente en las células vegetales. Durante 25 años, el biólogo Shengyang He y su investigador asociado Shinya Nomura han estado estudiando el conjunto de moléculas que los patógenos vegetales utilizan para causar enfermedades en cientos de cultivos en todo el mundo, desde arroz hasta huertos de manzanos.
Ahora, tres grupos de investigación colaborativos finalmente han encontrado respuestas a cómo estas moléculas enferman a las plantas, así como formas de deshacerlas.
Los resultados de la investigación relevante se publicaron en la revista Nature el 13 de septiembre.
Los investigadores en el laboratorio estudian los ingredientes clave de este cóctel mortal, una familia de proteínas inyectadas llamadas AvrE/DspE, que causan enfermedades que van desde la mancha marrón en los frijoles hasta la mancha bacteriana en los tomates y la niebla del peral y del manzano en los árboles frutales.
Desde su descubrimiento a principios de la década de 1990, los estudiosos de las enfermedades de las plantas se han interesado mucho por esta familia de proteínas. Son armas clave en los arsenales bacterianos; eliminarlos en el laboratorio puede hacer que las bacterias que de otro modo serían peligrosas sean inofensivas. Pero a pesar de décadas de esfuerzo, muchas preguntas sobre cómo funcionan siguen sin respuesta.
Los investigadores descubrieron que muchas proteínas de la familia AvrE/DspE pueden suprimir el sistema inmunológico de una planta o formar puntos negros empapados de agua en las hojas de las plantas, el primer signo de infección. Incluso conocen la secuencia básica de los aminoácidos, que se unen como cuentas en un hilo para formar proteínas. Pero no sabían cómo la cadena de aminoácidos se plegaba hasta adquirir su forma tridimensional, por lo que no podían explicar fácilmente cómo funcionaban.
Parte del problema es que las proteínas de esta familia son muy grandes. Las proteínas bacterianas generales pueden tener sólo 300 aminoácidos, mientras que las proteínas de la familia AvrE/DspE tienen 2000 aminoácidos.
Los investigadores buscaron pistas sobre otras proteínas con secuencias similares, pero no encontraron ninguna con una función conocida.
"Son proteínas extrañas", dijo. Entonces recurrieron a un programa informático llamado AlphaFold2, lanzado en 2021, que utiliza inteligencia artificial para predecir la forma tridimensional de una cadena determinada de aminoácidos.
Los investigadores saben que algunos miembros de esta familia ayudan a las bacterias a esconderse del sistema inmunológico de la planta. Pero cuando vieron la estructura tridimensional de la proteína por primera vez, descubrieron otra función.
"Cuando vimos este modelo por primera vez, era completamente diferente de lo que imaginábamos", dijo el coautor del estudio Pei Zhou, profesor de bioquímica en la Universidad de Duke.
Los investigadores estudiaron las predicciones de la IA sobre proteínas bacterianas que infectan cultivos como peras, manzanas, tomates y maíz y descubrieron que todos tenían estructuras tridimensionales similares. Parecen plegarse formando un pequeño hongo con un tallo cilíndrico, como una pajita.
La forma prevista coincidía estrechamente con las imágenes capturadas mediante microscopía crioelectrónica de la proteína bacteriana que causa la niebla del peral y del manzano en los árboles frutales. Vista de arriba hacia abajo, la proteína se parece mucho a un tubo hueco.
Esto hizo pensar a los investigadores: tal vez las bacterias utilicen estas proteínas para perforar las membranas de las células vegetales y "obligar al huésped a beber agua" durante el proceso de infección.
Cuando las bacterias entran en una hoja, una de las primeras áreas con las que entran en contacto es el espacio entre las células, llamado citoplasma. Normalmente, las plantas mantienen esta zona seca para permitir el intercambio de gases necesario para la fotosíntesis. Pero cuando las bacterias invaden, el agua se acumula dentro de las hojas, creando un paraíso húmedo y confortable para que se alimenten y se reproduzcan.
Un estudio más detallado del modelo tridimensional predicho de la proteína de la niebla del peral y del manzano reveló que, si bien el exterior de la estructura similar a una paja es resistente al agua, su núcleo hueco tiene una afinidad especial por el agua.
Para probar la hipótesis del canal de agua, el equipo de investigación colaboró con el profesor de biología de la Universidad de Duke, Dong Ke, y su postdoctorado de laboratorio y coautor principal, Felipe Andreazza. Agregaron lecturas genéticas de las proteínas bacterianas AvrE y DspE a huevos de rana, utilizando los huevos como fábricas celulares para producir estas proteínas. Coloque los huevos de rana en solución salina diluida. Demasiada agua hará que los huevos se hinchen rápidamente y se rompan.
Los investigadores también intentaron desbloquear estas proteínas bacterianas bloqueando sus canales. Nomura se centró en un tipo de pequeñas nanopartículas esféricas llamadas dendrímeros PAMAM. Estos dendrímeros se han utilizado en la administración de fármacos durante más de dos décadas y pueden convertirse en partículas con diámetros precisos en el laboratorio.
"Nuestra hipótesis era que si encontrábamos sustancias químicas con el diámetro correcto, podríamos tapar los poros", dijo.
Después de probar partículas de diferentes tamaños, encontraron una que pensaron que tenía el tamaño adecuado para bloquear las acuaporinas producidas por el patógeno de la niebla del peral y del manzano Erwiniaamylovora.
Tomaron huevos de rana que podían sintetizar esta proteína y los regaron con nanopartículas de PAMAM, de modo que el agua ya no fluyera hacia los huevos de rana. No se hinchan.
También trataron plantas de Arabidopsis infectadas con el patógeno Pseudomonas syringae, que causa manchas bacterianas. Las nanopartículas bloqueadoras de canales detuvieron el crecimiento bacteriano, reduciendo las concentraciones de patógenos en las hojas de las plantas hasta 100 veces.
Estos compuestos también son eficaces contra otras infecciones bacterianas. Los investigadores hicieron el mismo experimento con peras, que estuvieron expuestas a la bacteria que causa la niebla del peral y del manzano, pero las frutas nunca mostraron síntomas: la bacteria no las enfermó.
"Fue un proceso largo, pero funcionó", dijo. "Estamos muy entusiasmados con esto".
Los investigadores dicen que los hallazgos podrían proporcionar nuevas ideas para controlar muchas enfermedades de las plantas. El 80% de los alimentos que comemos son producidos por plantas. Sin embargo, más del 10% de la producción mundial de alimentos (cultivos como trigo, arroz, maíz, patatas y soja) se pierde cada año debido a patógenos y plagas de plantas, lo que le cuesta a la economía mundial hasta 220 mil millones de dólares.
El equipo de investigación ha solicitado una patente provisional para este método. El siguiente paso es descubrir cómo funciona esta protección observando con más detalle cómo interactúan las nanopartículas bloqueadoras de canales y las proteínas de los canales, dijeron Zhou y el coautor principal Jie Cheng, estudiante de doctorado en el laboratorio de Zhou.
"Si podemos visualizar estas estructuras, podremos comprender mejor y diseñar mejores soluciones de protección de cultivos", dijo Zhou.