Labmedya - Laboratuvar ve Sağlık Gazetesi

Bilim insanları, bitkilerin hastalık ve stresle nasıl mücadele ettiğini ortaya koyan, önemli bir bitki enzimi olan metakaspaz 9'un şimdiye kadarki en ayrıntılı görünümünü ortaya çıkardı. Ekip, gelişmiş kristalografi ve moleküler modelleme kullanarak enzimin nasıl aktive olduğunu çözdü ve büyük tarımsal tehditlerle mücadele için yeni bitki koruma stratejileri ve çevre dostu tedavilerin önünü açtı.

Nature Communications dergisinde yayınlanan bir araştırmada, Rutgers Üniversitesi-New Brunswick'ten Eric Lam ve New York'taki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndan Qun Liu liderliğindeki bir ekip, gelişmiş kristalografi ve bilgisayar modelleme tekniklerinin, metakaspaz 9 olarak bilinen ve diğer proteinleri kesen bir protein enzimi olan temel bir bitki proteazının bugüne kadarki en iyi resmini elde etmelerini sağladığını bildirdi.

Brookhaven Biyoloji Bölümü'nde yapısal biyolog olan Liu, "Metakaspaz 9'un aktivasyon şekli ve modunu anlamak, bitkileri hastalıklardan ve ekinleri yok edebilecek çevresel streslerden korumak için bilinen biyolojik işlevlerinden yararlanmak üzere uzun zamandır aranan araçları tasarlayabileceğimiz anlamına geliyor" dedi.

Ekip çoktan başladı. Lam ve Liu, keşiften geliştirilebilecek teknolojiler için ABD Patent ve Marka Ofisi'ne geçici patent başvurusunda bulundular.

Rutgers Çevre ve Biyolojik Bilimler Okulu Bitki Biyolojisi Bölümü'nde Seçkin Profesör ve çalışmanın yazarlarından biri olan Lam, "Bu çalışma, dünya çapındaki ürünlerimiz için çok daha güvenli ve etkili tedavilerin yolunu açabilir." dedi.

Fare kulağı teresi olarak da bilinen, sıkça çalışılan bir bitki olan Arabidopsis thaliana’yı kullanan araştırmacılar, Brookhaven’ın Ulusal Senkrotron Işık Kaynağı II’sinde (NSLS-II) X-ışını kristalografisi olarak bilinen bir yöntem kullanarak metakaspaz 9’un atom seviyesindeki şeklini ortaya çıkardılar. Önceki araştırmalardan enzimin artan asitlikle aktive olduğunu bildikleri için, enzimin farklı asit konsantrasyonlarına maruz kaldığında nasıl şekil değiştirdiğini gözlemlediler ve kaydettiler ve aktivasyonu sırasında proteindeki temel değişiklikleri ortaya çıkardılar.

Yeni edindikleri karmaşık anlayış, kristalografi verilerini Brookhaven’da tamamlanan moleküler dinamik simülasyonlarla birleştiriyor. Bu bilgisayar tabanlı yöntem, enzimin farklı koşullar altında nasıl davrandığını ve değiştiğini gözlemlemelerine olanak sağladı. Ekip ayrıca, bilim insanlarının bir DNA dizisinin belirli bir bölümünde kesin değişiklikler yapmak ve aktivitesi için ihtiyaç duyulan proteinin belirli bölümlerinin önemini doğrulamak için kullandığı bir teknik olan yerel mutagenezi de içeren laboratuvar deneyleri gerçekleştirdi.

Araştırmacılar bu bilgiyi birleştirerek enzimin farklı kısımlarının, yalnızca asidik pH’ta aktif olmasını sağlamak için fren veya hızlandırıcı gibi davrandığını keşfettiler.

Lam ve ekibi, enzimi ve ilgili bir versiyon olan metakaspaz 4’ü daha iyi anlamak için Liu ve Brookhaven ekibiyle on yıldır iş birliği yapıyor. Lam, son 30 yıldır enzimin bitki sağlığındaki temel rolünün merkezindeki süreci – programlanmış hücre ölümü olarak bilinen bir olguyu – inceliyor.

Programlanmış hücre ölümü, hücrelerin doğal ve kontrollü bir mekanizmanın parçası olarak kasıtlı olarak öldüğü bir süreçtir, dedi Lam. Bu, hücrenin organizmanın daha büyük iyiliği için intihar etme yoludur. Bu süreç, hasarlı veya gereksiz hücreleri ortadan kaldırmaya yardımcı olur ve organizmanın sağlıklı kalmasını ve düzgün bir şekilde gelişmesini sağlar. Bitkilerde, programlanmış hücre ölümü hastalıklarla savaşmak ve strese yanıt vermek için çok önemlidir.

Diğer araştırmacıların çalışmaları, bitkilerde bulunan ancak hayvanlarda bulunmayan metakaspaz 9’un programlanmış hücre ölümüyle bağlantılı olduğunu ve bitkiler için iki ana hastalık etkeni türünde merkezi olarak yer aldığını göstermiştir. Canlı hücrelerle beslenen organizmalar olan biyotroflarla uğraşırken, metakaspaz 9 hastalığı durdurmak için enfekte olmuş hücreleri öldürmeye yardımcı olur. Ancak bitki hücrelerini yemeden önce öldüren organizmalar olan nekrotroflarla, metakaspaz 9 bitkinin kendi hücrelerini daha hızlı yok etmek için ele geçirilir ve bu da istilacılara yardımcı olur.

Araştırmacılar metakaspaz 9’u güçlendirmenin biyotrofik hastalıkları önleyebileceğini düşünüyorlar. Tersine, işlevini engellemek, enzimin nekrotrofların sağlıklı hücreleri öldürmesine yardımcı olmayacağı anlamına geliyor.

Biyotroflara bir örnek, 1800’lerin ortalarında İrlanda’da patates yanıklığına ve ardından gelen kıtlığa neden olan mantar benzeri oomycetes Phytophthora infestans’tır. Lam, « Birçok bitki hastalığı, özellikle mantarlar için etkili mantar ilacı tedavi seçenekleri azdır ve birçok durumda çevresel endişeler oldukça ciddidir, » dedi. « Metakaspaz 9’un hiperaktif versiyonlarını yaratarak, istila bölgesinde hücre ölümüne daha erken neden olarak bitkileri bu biyotroflardan koruyabilir ve böylece besin kaynaklarını kesebiliriz. »

Araştırma ekibi tam da bunu yaptı ve Lam'in bitki genleri tarafından uyarıldığında üretilebilen ve külleme ve pas gibi önemli hastalıkların birçoğuna karşı yeni direnç özellikleri sağlayabilen enzimin "süper aktif varyantlarını" yarattı.

Beyaz küf olarak bilinen şiddetli bitki hastalığı, birçok ürünü enfekte edebilen nekrotrofik mantar patojeni Sclerotinia sclerotiorum'dan kaynaklanır. Mantar patojenlerinin neden olduğu hastalıklardan biridir ve toplam verimin %10 ila %20'si arasında yıllık ürün kaybına neden olabilir. ABD Tarım Bakanlığı tarafından derlenen istatistiklere göre bu, tarım için her yıl 100 milyar ila 200 milyar dolar arasında mali kayba neden olur.

"Hücreleri yiyerek beslenen nekrotrofik organizmalarla mücadele etmek için, metakaspaz 9'un moleküler düzeyde nasıl değiştiğini anlamak, hayvanlara veya çevreye zarar vermeden bu enzimi etkili bir şekilde bloke eden yeni tarımsal kimyasallar yaratmamıza yardımcı olabilir," dedi Lam. "Bunlar, zararlı nekrotrofik organizmaların büyümesini durdurmak için tarımda kullanılabilir ve bu da dünya çapındaki ürünler için daha güvenli ve daha etkili tedavilere yol açabilir."

Yazar: Basma Bouanani

Kaynakça :

https://www.lab-worldwide.com/unveiling-plant-enzyme-metacaspase-9-breakthrough-crop-protection-a-a57e5750669090e020875e3545684373/