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Muitas das bactérias que destroem as colheitas e ameaçam o nosso abastecimento alimentar utilizam uma estratégia comum para causar doenças: injetam um cocktail de proteínas nocivas diretamente nas células da planta.
Durante 25 anos, o biólogo Sheng-Yang He e seu pesquisador sênior Kinya Nomura têm se intrigado com esse conjunto de moléculas que os patógenos de plantas usam para causar doenças em centenas de culturas em todo o mundo, desde arroz até macieiras.
Agora, graças a um esforço de equipa entre três grupos de investigação colaboradores, eles podem finalmente ter uma resposta sobre como estas moléculas deixam as plantas doentes – e uma forma de desarmá-las.
As descobertas aparecem em 13 de setembro na revista Natureza.
Pesquisadores do laboratório He estudam os principais ingredientes deste coquetel mortal, uma família de proteínas injetadas chamada AvrE/DspE, que causa doenças que vão desde manchas marrons em feijões e manchas bacterianas em tomates até queimaduras em árvores frutíferas.
Desde a sua descoberta no início da década de 1990, esta família de proteínas tem sido de grande interesse para aqueles que estudam doenças de plantas. São armas essenciais no arsenal bacteriano; eliminá-los em um laboratório torna inofensivas bactérias que de outra forma seriam perigosas. Mas, apesar de décadas de esforços, muitas questões sobre como funcionam permanecem sem resposta.
Os pesquisadores identificaram uma série de proteínas da família AvrE/DspE que suprimiam o sistema imunológico da planta ou que causavam manchas escuras encharcadas de água nas folhas de uma planta – os primeiros sinais reveladores de infecção. Eles até conheciam a sequência subjacente de aminoácidos que se ligavam para formar as proteínas, como contas em um cordão. Mas eles não sabiam como essa cadeia de aminoácidos se dobrava em uma forma 3D, então não conseguiam explicar facilmente como funcionavam.
Parte do problema é que as proteínas desta família são enormes. Considerando que uma proteína bacteriana média pode ter 300 aminoácidos; As proteínas da família AvrE/DspE são 2.000.
Os pesquisadores procuraram outras proteínas com sequências semelhantes em busca de pistas, mas nenhuma com funções conhecidas apareceu.
“São proteínas estranhas”, disse ele.
Então, eles recorreram a um programa de computador lançado em 2021 chamado AlphaFold2, que usa inteligência artificial para prever qual formato 3D uma determinada sequência de aminoácidos assumirá.
Os pesquisadores sabiam que alguns membros desta família ajudam as bactérias a escapar do sistema imunológico da planta. Mas o primeiro vislumbre da estrutura 3D das proteínas sugeriu um papel adicional.
“Quando vimos o modelo pela primeira vez, não era nada parecido com o que pensávamos”, disse o coautor do estudo Pei Zhou, professor de bioquímica na Duke, cujo laboratório contribuiu para as descobertas.
Os pesquisadores analisaram as previsões da IA para proteínas bacterianas que infectam culturas como peras, maçãs, tomates e milho, e todas apontaram para uma estrutura 3D semelhante. Eles pareciam se dobrar em um pequeno cogumelo com haste cilíndrica, como um canudo.
A forma prevista combinou bem com imagens de uma proteína bacteriana que causa a doença do fogo em árvores frutíferas que foi capturada usando um microscópio crioeletrônico. De cima para baixo, esta proteína parecia muito com um tubo oco.
O que fez os pesquisadores pensarem: talvez as bactérias usem essas proteínas para abrir um buraco na membrana celular da planta, para “forçar o hospedeiro a beber” durante a infecção, disse ele.
Assim que as bactérias entram nas folhas, uma das primeiras áreas que encontram é um espaço entre as células chamado apoplasto. Normalmente, as plantas mantêm esta área seca para permitir as trocas gasosas para a fotossíntese. Mas quando as bactérias invadem, o interior da folha fica encharcado, criando um refúgio úmido e aconchegante para elas se alimentarem e se multiplicarem.
Um exame mais aprofundado do modelo 3D previsto para a proteína da queima do fogo revelou que, embora a parte externa da estrutura semelhante a palha seja resistente à água, seu núcleo interno oco tem uma afinidade especial pela água.
Para testar a hipótese do canal de água, a equipe uniu forças com o professor de biologia da Duke, Ke Dong, e o co-autor Felipe Andreazza, um pós-doutorado associado em seu laboratório. Eles adicionaram as leituras genéticas das proteínas bacterianas AvrE e DspE aos ovos de rã, usando os ovos como fábricas celulares para produzir as proteínas. Os ovos, colocados em solução salina diluída, incharam rapidamente e explodiram com muita água.
Os pesquisadores também tentaram ver se conseguiriam desarmar essas proteínas bacterianas bloqueando seus canais. Nomura se concentrou em uma classe de minúsculas nanopartículas esféricas chamadas dendrímeros PAMAM. Usados há mais de duas décadas na distribuição de medicamentos, esses dendrímeros podem ser produzidos com diâmetros precisos em laboratório.
“Estávamos pensando na hipótese de que, se encontrássemos o produto químico com o diâmetro correto, talvez pudéssemos bloquear o poro”, disse ele.
Depois de testar partículas de tamanhos diferentes, eles identificaram uma que consideraram ter o tamanho certo para obstruir a proteína do canal de água produzida pelo patógeno da queima do fogo, Erwinia amylovora.
Eles pegaram ovos de rã projetados para sintetizar essa proteína e os encharcaram com nanopartículas PAMAM, e a água parou de fluir para os ovos. Eles não incharam.
Eles também trataram plantas de Arabidopsis infectadas com o patógeno Pseudomonas syringae, que causa manchas bacterianas. As nanopartículas bloqueadoras de canais impediram que as bactérias se instalassem, reduzindo em 100 vezes as concentrações de patógenos nas folhas das plantas.
Os compostos também foram eficazes contra outras infecções bacterianas. Os pesquisadores fizeram o mesmo com frutas de pêra expostas à bactéria que causa a doença do fogo, e as frutas nunca desenvolveram sintomas – a bactéria não as deixou doentes.
“Foi um tiro no escuro, mas funcionou”, disse ele. “Estamos entusiasmados com isso.”
As descobertas podem oferecer uma nova linha de ataque contra muitas doenças de plantas, disseram os pesquisadores.
As plantas produzem 80% dos alimentos que comemos. E, no entanto, mais de 10% da produção alimentar mundial – culturas como o trigo, o arroz, o milho, a batata e a soja – são perdidas todos os anos devido a agentes patogénicos e pragas de plantas, custando à economia global uns colossais 220 mil milhões de dólares.
A equipe registrou uma patente provisória sobre a abordagem.
O próximo passo, disseram Zhou e o coautor Jie Cheng, Ph.D. estudante no laboratório de Zhou, é descobrir como essa proteção funciona, obtendo uma visão mais detalhada de como as nanopartículas bloqueadoras de canais e as proteínas dos canais interagem.
“Se pudermos imaginar essas estruturas, poderemos ter uma melhor compreensão e chegar a melhores projetos para proteção de cultivos”, disse Zhou.
Este trabalho foi apoiado pelo Instituto Nacional de Alergia e Doenças Infecciosas (1R01AI155441) e pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais (GM145026), ambos nos Institutos Nacionais de Saúde, Duke Science and Technology e no Howard Hughes Medical Institute.
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