Антитела, полученные у альпаки, могут защитить растения от болезней

Исследователи из Университета Северной Каролины растений нашли способ наделить растения защитой на основе антител от конкретной угрозы, что потенциально ускоряет создание культур, устойчивых к любому виду появляющихся вирусов, бактерий или грибков. Стратегия состоит в том, чтобы ввести альпаке или другому родственнику верблюда белок из растительного патогена, на который нужно нацелиться, а после взять и очистить необычно маленькие антитела, которые они производят в ответ на заражение, и встроить в собственный иммунный ген растения.

Ежегодно фермеры теряют многие миллиарды долларов из-за болезней растений, а новые патогены создают новые угрозы продовольственной безопасности в развивающихся странах. У растений развилась собственная многокомпонентная иммунная система, запускаемая клеточными рецепторами, которые распознают общие признаки патогенов, такие как бактериальная клеточная стенка, а также внутриклеточные рецепторы для молекул, секретируемых конкретными патогенами. Если растительная клетка обнаружит эти молекулы, она может спровоцировать собственную гибель, чтобы спасти остальную часть растения. Но патогены растений часто эволюционируют и избегают этих рецепторов.

Давняя мечта в области биотехнологии растений — создать гены устойчивости к болезням, которые можно было бы производить так же быстро, как появляются патогены. Один из подходов заключается в редактировании гена растительного иммунного рецептора, изменении формы белка для распознавания конкретной патогенной молекулы. Это требует определенных знаний как о рецепторе, так и о его мишени на патогене.

Вместо этого Софиен Камун, молекулярный биолог из лаборатории Сейнсбери, и его коллеги использовали иммунную систему животных, чтобы помочь модифицировать рецепторы. Во время заражения новым патогеном животные вырабатывают миллиарды слегка различающихся антител, в конечном итоге отбирая и массово производя те, которые лучше всего воздействуют на захватчика.

Верблюды, к которым относятся альпаки, и ламы, являются рабочими лошадками для разработки антител, потому что их иммунная система создает компактные версии, называемые нанотелами, кодируемые небольшими генами. В качестве доказательства принципа новой стратегии защиты растений ученые обратились к двум стандартным нанотелам верблюдовых, которые распознают не белки патогенов, а две разные флуоресцентные молекулы, в том числе одну, называемую зеленым флуоресцентным белком (GFP). Команда выбрала эти нанотела для обнаружения тестовых вирусов, в данном случае вируса картофеля, сконструированного для производства флуоресцентных белков.

Йоргос Курелис из лаборатории Камуна, впервые соединил ген нанотела, нацеленного на GFP, с геном внутриклеточного иммунного рецептора у табачного родственника Nicotiana benthamiana. После он повторил свой подвиг с геном нанотела, распознающим другой светящийся белок. Потребовалось несколько попыток и доработок, чтобы создать растения, которые не вызывали аутоиммунных реакций из-за модифицированных рецепторов, что привело бы к задержке роста и нарушению плодовитости.

Затем Клеманс Маршаль исследовала, насколько хорошо растения с рецепторами, усиленными нанотелами, обнаруживают измененные вирусы картофеля. Маршаль обнаружила, что у растений развился сильный иммунный ответ — участки самоуничтожающихся клеток были видны невооруженным глазом — и почти не было репликации вируса, в то время как листья контрольных растений страдали от инфекции.

Селекционеры часто «встраивают» гены устойчивости в сорта растений, чтобы добавить защиту сразу от нескольких болезней. В эксперименте группы растения с генами обоих типов нанотел были защищены от обоих вирусов. С тех пор группа разработала культуру для производства нанотел, которые обнаруживают настоящие молекулы патогенов. Лаборатория Sainsbury подала патентные заявки на эту стратегию по всему миру.