Nhiều vi khuẩn tàn phá cây trồng và đe dọa nguồn cung cấp thực phẩm của chúng ta sử dụng một chiến lược chung để gây bệnh: Chúng tiêm trực tiếp các tổ hợp protein có hại vào tế bào thực vật. Trong 25 năm, nhà sinh vật học Shengyang He và cộng sự nghiên cứu cấp cao Shinya Nomura của ông đã nghiên cứu tập hợp các phân tử mà mầm bệnh thực vật sử dụng để gây bệnh cho hàng trăm loại cây trồng trên khắp thế giới, từ lúa đến vườn táo.
Giờ đây, với nỗ lực tổng hợp của ba nhóm nghiên cứu hợp tác, cuối cùng họ đã tìm ra câu trả lời về cách các phân tử này khiến cây bị bệnh và cách khắc phục chúng.
Kết quả nghiên cứu liên quan đã được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 13 tháng 9. Các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm
nghiên cứu các thành phần chính trong loại cocktail chết người này, một họ protein được tiêm có tên AvrE/DspE, gây ra các bệnh từ đốm nâu ở đậu đến đốm vi khuẩn ở cà chua đến bệnh bạc lá trên cây ăn quả.
Kể từ khi được phát hiện vào đầu những năm 1990, những người nghiên cứu bệnh thực vật đã trở nên quan tâm sâu sắc đến họ protein này. Chúng là vũ khí chủ chốt trong kho vũ khí của vi khuẩn; việc loại bỏ chúng trong phòng thí nghiệm có thể khiến vi khuẩn nguy hiểm trở nên vô hại. Nhưng bất chấp nhiều thập kỷ nỗ lực, nhiều câu hỏi về cách thức hoạt động của chúng vẫn chưa được giải đáp.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng nhiều protein thuộc họ AvrE/DspE có thể ức chế hệ thống miễn dịch của cây hoặc hình thành các đốm đen sũng nước trên lá cây - dấu hiệu đầu tiên của sự nhiễm trùng. Họ thậm chí còn biết trình tự cơ bản của các axit amin, chúng kết hợp với nhau như những hạt trên một sợi dây để tạo thành protein. Nhưng họ không biết chuỗi axit amin gấp lại thành hình dạng ba chiều như thế nào nên họ không thể dễ dàng giải thích cách chúng hoạt động.
Một phần của vấn đề là họ protein này quá lớn. Protein vi khuẩn thông thường chỉ có thể có 300 axit amin, trong khi protein thuộc họ AvrE/DspE có 2.000 axit amin.
Các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các protein khác có trình tự tương tự để tìm manh mối, nhưng không tìm thấy protein nào có chức năng đã biết.
"Chúng là những protein kỳ lạ," anh ấy nói. Vì vậy, họ đã chuyển sang sử dụng một chương trình máy tính có tên AlphaFold2, phát hành vào năm 2021, sử dụng trí tuệ nhân tạo để dự đoán hình dạng ba chiều của một chuỗi axit amin nhất định.
Các nhà nghiên cứu biết rằng một số thành viên trong họ này giúp vi khuẩn ẩn náu khỏi hệ thống miễn dịch của thực vật. Nhưng khi họ nhìn thấy cấu trúc ba chiều của protein lần đầu tiên, họ đã phát hiện ra một vai trò khác.
Đồng tác giả nghiên cứu Pei Zhou, giáo sư hóa sinh tại Đại học Duke, cho biết: "Khi chúng tôi lần đầu nhìn thấy mô hình này, nó hoàn toàn khác với những gì chúng tôi tưởng tượng".
Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các dự đoán của trí tuệ nhân tạo về protein vi khuẩn lây nhiễm sang các loại cây trồng như lê, táo, cà chua và ngô và phát hiện ra rằng chúng đều có cấu trúc ba chiều tương tự nhau. Chúng có vẻ gấp lại thành một cây nấm nhỏ có thân hình trụ, giống như ống hút.
Hình dạng được dự đoán rất khớp với hình ảnh được chụp bằng kính hiển vi điện tử lạnh của protein vi khuẩn gây bệnh bạc lá trên cây ăn quả. Nhìn từ trên xuống, protein trông rất giống một ống rỗng.
Điều này khiến các nhà nghiên cứu suy nghĩ: Có thể vi khuẩn sử dụng các protein này để đục lỗ trên màng tế bào thực vật và "ép vật chủ uống nước" trong quá trình lây nhiễm.
Khi vi khuẩn xâm nhập vào lá, một trong những khu vực đầu tiên chúng tiếp xúc là khoảng trống giữa các tế bào, được gọi là tế bào chất. Thông thường, thực vật giữ cho khu vực này khô ráo để có thể trao đổi khí cần thiết cho quá trình quang hợp. Nhưng khi vi khuẩn xâm nhập, nước sẽ tích tụ bên trong lá, tạo nên thiên đường ẩm ướt và thoải mái cho chúng kiếm ăn và sinh sản.
Nghiên cứu sâu hơn về mô hình ba chiều dự đoán của protein bệnh bạc lá cháy cho thấy mặc dù bên ngoài cấu trúc giống như rơm có khả năng chịu nước nhưng lõi rỗng của nó có ái lực đặc biệt với nước.
Để kiểm tra giả thuyết kênh nước, nhóm nghiên cứu đã hợp tác với giáo sư sinh học Dong Ke của Đại học Duke và postdoc trong phòng thí nghiệm của ông và đồng tác giả đầu tiên Felipe Andreazza. Họ đã thêm các chỉ số di truyền cho các protein vi khuẩn AvrE và DspE vào trứng ếch, sử dụng trứng làm nhà máy tế bào để tạo ra các protein này. Ngâm trứng ếch vào nước muối loãng. Quá nhiều nước sẽ khiến trứng nở nhanh và vỡ.
Các nhà nghiên cứu cũng cố gắng loại bỏ tác động của các protein vi khuẩn này bằng cách chặn các kênh của chúng. Nomura tập trung vào một loại hạt nano hình cầu cực nhỏ gọi là dendrimer PAMAM. Những dendrimer như vậy đã được sử dụng trong phân phối thuốc trong hơn hai thập kỷ và có thể được chế tạo thành các hạt có đường kính chính xác trong phòng thí nghiệm.
"Giả thuyết của chúng tôi là nếu tìm thấy các hóa chất có đường kính phù hợp, chúng tôi có thể chặn được các lỗ chân lông," ông nói.
Sau khi thử nghiệm các hạt có kích thước khác nhau, họ đã tìm thấy một loại mà họ cho là có kích thước phù hợp để ngăn chặn aquaporin do mầm bệnh bệnh bạc lá Erwinia amylovora tạo ra.
Họ lấy trứng ếch có khả năng tổng hợp protein này và tưới chúng bằng hạt nano PAMAM để nước không còn chảy vào trứng ếch nữa. Chúng không sưng lên.
Họ cũng xử lý cây Arabidopsis bị nhiễm mầm bệnh Pseudomonas syringae, gây ra đốm vi khuẩn. Các hạt nano chặn kênh đã ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn, làm giảm nồng độ mầm bệnh trong lá cây tới 100 lần.
Các hợp chất này cũng có hiệu quả chống lại các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn khác. Các nhà nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm tương tự trên quả lê, được tiếp xúc với vi khuẩn gây bệnh bạc lá, nhưng quả không bao giờ biểu hiện triệu chứng - vi khuẩn không làm cho chúng bị bệnh.
"Đó là một quá trình lâu dài nhưng nó đã thành công," ông nói. "Chúng tôi rất vui mừng về điều này."
Các nhà nghiên cứu cho biết những phát hiện này có thể cung cấp những ý tưởng mới để kiểm soát nhiều bệnh thực vật. 80% thực phẩm chúng ta ăn được sản xuất từ thực vật. Tuy nhiên, hơn 10% sản lượng lương thực toàn cầu - các loại cây trồng như lúa mì, gạo, ngô, khoai tây và đậu nành - bị mất do mầm bệnh và sâu bệnh thực vật hàng năm, khiến nền kinh tế toàn cầu thiệt hại tới 220 tỷ USD.
Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế tạm thời cho phương pháp này. Bước tiếp theo là tìm hiểu cách hoạt động của cơ chế bảo vệ này bằng cách xem xét chi tiết hơn cách các hạt nano chặn kênh và protein kênh tương tác với nhau, Chu và đồng tác giả đầu tiên Jie Cheng, một nghiên cứu sinh tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Chu, cho biết.
"Nếu chúng ta có thể chụp ảnh những cấu trúc này, chúng ta có thể hiểu rõ hơn và thiết kế các phương án bảo vệ cây trồng tốt hơn", Chu nói.