Kako so se slovenski znanstveniki spopadli z virusom krompirja?
Raziskovalci, med njimi večina slovenskih, na sledi mehanizmom delovanja virusa, ki uničuje kulture
Odpri galerijo
Krompir je ena ključnih kultur na svetu, krompirjev virus Y pa je med najbolj razširjenimi rastlinskimi virusi in poleg glavne tarče – krompirja napada tudi druge rastline. Med drugim je kriv za skoraj popolno izumrtje sorte igor. Foto Shutterstock
Kakšne so lastnosti krompirjevega virusa Y, ki prek listnih uši okuži in uničuje krompir, in kako deluje? Bi lahko z odkritjem ranljivosti virusa razvili preventivne strategije pred okužbo? Odgovore na ta vprašanja je pod vodstvom dr. Marjetke Podobnik z odseka za molekularno biologijo in nanobiotehnologijo na Kemijskem inštitutu v Ljubljani pet let iskalo 15 znanstvenikov s treh institucij.
Krompir je ena ključnih kultur na svetu, takoj za koruzo, pšenico in rižem. Krompirjev virus Y (angl. potato virus Y – PVY) spada med peterico ekonomsko najpomembnejših in najbolj razširjenih rastlinskih virusov, saj povzroči hudo škodo na pridelkih okuženih gojenih in divjih rastlin; glavna tarča je krompir, ogroženi pa so tudi tobak, paprika, paradižnik, dalije, petunije, volčje jabolko in druge rastline. Sorta krompirja igor, ki smo jo v Sloveniji gojili na treh četrtinah polj, zasajenih s krompirjem, se je pred približno tridesetimi leti izrodila prav zaradi občutljivosti na virus PVY. Ko virus napade rastlino, lahko povzroči celo stoodstotno uničenje pridelka.
Bolezenska znamenja se pojavijo na listih, pridelovalce pa najbolj prizadene okužba gomoljev, ki potem niso primerni za prodajo. Virus prenašajo uši, širi se tudi s sajenjem okuženih gomoljev.
Na Kemijskem inštitutu so virusom podobne delce začeli proučevati leta 2014 in se pozneje osredotočili na virus PVY. Od začetka projekta sodelujejo z Nacionalnim inštitutom za biologijo, kjer imajo dolgoletne izkušnje s proučevanjem tega virusa.
Pomembne ugotovitve o zatiranju virusa zdaj prinaša članek Structural basis for the multitasking nature of the potato virus Y coat protein (Struktura plaščnega proteina virusa Y krompirja pojasnjuje njegovo večplastno delovanje), ki je bil objavljen v sredo v priznani ameriški znanstveni reviji Science Advances. Prva avtorica članka je doktorska raziskovalka na Kemijskem inštitutu Andreja Kežar.
Metodo raziskovanja je na KI uvedla Marjetka Podobnik, ki je pred tem pet let pridobivala izkušnje na podoktorskem izpopolnjevanju v tujini, danes pa v tej ustanovi vodi odsek za molekularno biologijo in nanobiotehnolgijo. Kot pojasnjuje, so z uporabo krioelektronske mikroskopije prvi določili tridimenzionalno strukturo krompirjevega virusa Y pri visoki ločljivosti. Pokazali so, da ima virus obliko kompaktne podolgovate niti – ki je na močno povečani ilustraciji videti kot majhna kačica. Njegovi osnovni gradniki so molekule plaščnega proteina, ki se v obliki vijačnice ovijajo okoli virusnega genskega materiala in ga ščitijo pred zunanjimi vplivi. Ugotovili so tudi, kateri predeli na plaščnem proteinu so ključni za tvorbo arhitekturno dovršenih virusnih niti in za okužbo. »Odkritje je podlaga za nadaljnje raziskave o tem, kako poteka okužba krompirja in kako pride do nje. To bo pripomoglo k iskanju preventivnih strategij za varstvo rastlin pred okužbo,« pojasnjuje Marjetka Podobnik.
V raziskavi so poleg tridimenzionalne strukture virusa PVY prvi določili tridimenzionalno strukturo virusom podobnih delcev, ki pa v nasprotju z virusi ne morejo okužiti organizmov. »Ugotovili smo, da je njihova struktura precej drugačna od strukture virusa PVY. Pri virusu podobnih delcih se molekule plaščnega proteina namreč v obliki zloženih prstanov nalagajo v eno dolgo nit. Površina in tudi notranjost teh dolgih proteinskih niti imata zelo posebne lastnosti, ki jih lahko poljubno spreminjamo in pri tem pripravimo delce, ki bi jih bilo mogoče uporabiti za razvoj novih dostavnih sistemov za zdravila, razvoj cepiv, senzorjev za določene signale oziroma molekule v namene diagnostike, prav tako za razvoj hibridnih materialov in nanocevk,« razlaga Podobnikova.
Pomembna je še primerjava tridimenzionalnih struktur virusa PVY in virusom podobnih delcev. Ugotovili so, da je osnovna gradbena molekula obeh tipov niti, to je plaščni protein, tudi sam po sebi zelo plastičen in lahko strukturo prilagaja glede na razmere v okolici. Predvidevajo, da ravno plastičnost omogoča raznolikost funkcij plaščnega proteina.
Po sogovorničinih besedah nameravajo skupaj z biologi še naprej proučevati mehanizem okužb z virusom PVY na rastlinah. Virus je še precej neraziskan, vendar bo pridobljeno znanje pripomoglo k lažjemu proučevanju interakcij med virusnim plaščem in virusnim genskim materialom oziroma drugimi rastlinskimi in virusnimi komponentami ter komponentami listnih uši, ki sodelujejo pri okužbi.
Rezultati raziskave so temelj za boljše razumevanje, kako virus, potem ko prek listne uši okuži rastlino, prehaja skozi različne cikle, si v določenem trenutku »sleče plašč« in se razmnožuje v celicah ter nazadnje »zagospodari po celotni rastlini«.
Med raziskovanjem so odkrili tudi neverjetno ekonomično delovanje virusovega genoma, ki vsebuje le 11 genov, vendar z njimi doseže številne učinke. Proces, ki so ga raziskovalci poimenovali »multitasking«, pa bi bilo mogoče s pridom uporabiti na marsikaterem področju, na primer v kmetijstvu, biomedicini, farmaciji in elektroindustriji.
»Na Kemijskem inštitutu bomo raziskali tudi možnosti uporabe virusom podobnih delcev v bionanotehnologiji in sintezni biologiji ter pri načrtovanju novih naprednih materialov na podlagi bioloških molekul. Rekombinantno pridobljene virusom podobne delce je namreč mogoče dokaj enostavno spremeniti na genetskem ali proteinskem nivoju, kar dopušča veliko smeri za nadaljnjo uporabo.«
Tudi za doktorsko študentko Andrejo Kežar »je bila možnost za sodelovanje velik izziv za pridobivanje novih znanj v krioelektronski mikroskopiji, kjer bo poslej mogoče nadaljevati raziskave na zgradbi virusov in virusom podobnih delcev in drugih kompleksnih molekul«.
Krompir je ena ključnih kultur na svetu, takoj za koruzo, pšenico in rižem. Krompirjev virus Y (angl. potato virus Y – PVY) spada med peterico ekonomsko najpomembnejših in najbolj razširjenih rastlinskih virusov, saj povzroči hudo škodo na pridelkih okuženih gojenih in divjih rastlin; glavna tarča je krompir, ogroženi pa so tudi tobak, paprika, paradižnik, dalije, petunije, volčje jabolko in druge rastline. Sorta krompirja igor, ki smo jo v Sloveniji gojili na treh četrtinah polj, zasajenih s krompirjem, se je pred približno tridesetimi leti izrodila prav zaradi občutljivosti na virus PVY. Ko virus napade rastlino, lahko povzroči celo stoodstotno uničenje pridelka.
Bolezenska znamenja se pojavijo na listih, pridelovalce pa najbolj prizadene okužba gomoljev, ki potem niso primerni za prodajo. Virus prenašajo uši, širi se tudi s sajenjem okuženih gomoljev.
Prva avtorica članka, doktorska študentka Andreja Kejžar in vodja raziskave Marjetka Podobnik Foto Mavric Pivk
Mednarodno sodelovanje
Objavljeno delo je plod sodelovanja 15 znanstvenikov s treh institucij iz Slovenije in Češke. Pri raziskavi so sodelovali dr. Marjetka Podobnik, doktorska študenta Andreja Kežar in Luka Kavčič, dr. Gregor Anderluh, dr. David Pahovnik, dr. Ema Žagar in dr. Franci Merzel, vsi s Kemijskega inštituta, ter dr. Ion Gutiérrez-Aguirre, dr. Magda Tušek Žnidarič, dr. Anna Coll, Katja Stare, dr. Kristina Gruden in dr. Maja Ravnikar z Nacionalnega inštituta za biologijo ter raziskovalca z inštituta Ceitec (Central European institute of technology) v Brnu dr. Jiři Nováček in doktorski študent Martin Polák. Študijo je podprla slovenska agencija za raziskovalno dejavnost.Razkitje oblike virusa
Na Kemijskem inštitutu so virusom podobne delce začeli proučevati leta 2014 in se pozneje osredotočili na virus PVY. Od začetka projekta sodelujejo z Nacionalnim inštitutom za biologijo, kjer imajo dolgoletne izkušnje s proučevanjem tega virusa.
Pomembne ugotovitve o zatiranju virusa zdaj prinaša članek Structural basis for the multitasking nature of the potato virus Y coat protein (Struktura plaščnega proteina virusa Y krompirja pojasnjuje njegovo večplastno delovanje), ki je bil objavljen v sredo v priznani ameriški znanstveni reviji Science Advances. Prva avtorica članka je doktorska raziskovalka na Kemijskem inštitutu Andreja Kežar.
Sliki, posneti z elektronskim mikroskopom, prikazujeta krompirjev virus Y (levo) ter virusu podobne delce (desno). V središču sheme sta prikazana modela strukture virusa in virusu podobnega delca. Plaščni protein se v virusu sestavi okoli virusne RNK v ob
Metodo raziskovanja je na KI uvedla Marjetka Podobnik, ki je pred tem pet let pridobivala izkušnje na podoktorskem izpopolnjevanju v tujini, danes pa v tej ustanovi vodi odsek za molekularno biologijo in nanobiotehnolgijo. Kot pojasnjuje, so z uporabo krioelektronske mikroskopije prvi določili tridimenzionalno strukturo krompirjevega virusa Y pri visoki ločljivosti. Pokazali so, da ima virus obliko kompaktne podolgovate niti – ki je na močno povečani ilustraciji videti kot majhna kačica. Njegovi osnovni gradniki so molekule plaščnega proteina, ki se v obliki vijačnice ovijajo okoli virusnega genskega materiala in ga ščitijo pred zunanjimi vplivi. Ugotovili so tudi, kateri predeli na plaščnem proteinu so ključni za tvorbo arhitekturno dovršenih virusnih niti in za okužbo. »Odkritje je podlaga za nadaljnje raziskave o tem, kako poteka okužba krompirja in kako pride do nje. To bo pripomoglo k iskanju preventivnih strategij za varstvo rastlin pred okužbo,« pojasnjuje Marjetka Podobnik.
ℹKaj je krioelektronska mikroskopija
Krioelektronska mikroskopija se izvaja v območju kriogenih temperatur (–180 stopinj Celzija v primeru tekočega dušika, –269 stopinj Celzija za tekoči helij). Njena ključna prednost je, da je mogoče določiti zgradbo molekul v zelo širokem velikostnem območju. Pri nizkih temperaturah namreč proteini v procesu meritev ostanejo blizu naravnega stanja, kar omogoča natančnejši vpogled v njihovo funkcijo. S to tehniko lahko vidimo položaje posameznih atomov in tudi vezavo majhnih molekul na biološke tarče.
...Delci, ki so videti kot virusi
...
V raziskavi so poleg tridimenzionalne strukture virusa PVY prvi določili tridimenzionalno strukturo virusom podobnih delcev, ki pa v nasprotju z virusi ne morejo okužiti organizmov. »Ugotovili smo, da je njihova struktura precej drugačna od strukture virusa PVY. Pri virusu podobnih delcih se molekule plaščnega proteina namreč v obliki zloženih prstanov nalagajo v eno dolgo nit. Površina in tudi notranjost teh dolgih proteinskih niti imata zelo posebne lastnosti, ki jih lahko poljubno spreminjamo in pri tem pripravimo delce, ki bi jih bilo mogoče uporabiti za razvoj novih dostavnih sistemov za zdravila, razvoj cepiv, senzorjev za določene signale oziroma molekule v namene diagnostike, prav tako za razvoj hibridnih materialov in nanocevk,« razlaga Podobnikova.
Pomembna je še primerjava tridimenzionalnih struktur virusa PVY in virusom podobnih delcev. Ugotovili so, da je osnovna gradbena molekula obeh tipov niti, to je plaščni protein, tudi sam po sebi zelo plastičen in lahko strukturo prilagaja glede na razmere v okolici. Predvidevajo, da ravno plastičnost omogoča raznolikost funkcij plaščnega proteina.
Novo znanje o strukturi krompirjevega virusa Y in virusu podobnega delca nam bo pomagalo pri nadaljnjih raziskavah mehanizma okužbe virusa ter uporabi teh delcev v nanotehnoloških aplikacijah kot so dostava molekul, priprava cepiv, biosenzorjev in nanorea
Kaj bo prinesla raziskava?
Po sogovorničinih besedah nameravajo skupaj z biologi še naprej proučevati mehanizem okužb z virusom PVY na rastlinah. Virus je še precej neraziskan, vendar bo pridobljeno znanje pripomoglo k lažjemu proučevanju interakcij med virusnim plaščem in virusnim genskim materialom oziroma drugimi rastlinskimi in virusnimi komponentami ter komponentami listnih uši, ki sodelujejo pri okužbi.
Rezultati raziskave so temelj za boljše razumevanje, kako virus, potem ko prek listne uši okuži rastlino, prehaja skozi različne cikle, si v določenem trenutku »sleče plašč« in se razmnožuje v celicah ter nazadnje »zagospodari po celotni rastlini«.
11
genov vsebuje genom krompirjevega virusa YℹKrioelektronski mikroskop na Kemijskem inštitutu
»Na Kemijskem inštitutu prav zdaj nameščamo nov, več milijonov vreden krioelektronski mikroskop, ki bo prvi takšen v regiji. Rezultati naše raziskave so bili namreč pridobljeni s krioelektronsko mikroskopijo, za katero je bila leta 2017 podeljena Nobelova nagrada za kemijo. Raziskovalci smo pridobili znanje, ki nam bo omogočalo uporabo ter vodenje lastnega centra za krioelektronsko mikroskopijo. Mikroskop bo na voljo tudi drugim slovenskim in mednarodnim raziskovalcem ter industriji in bo strukturno biologijo v slovenskem prostoru povzdignil na še višjo raven ter omogočil nova pomembna odkritja in mednarodna sodelovanja. S tem se Kemijski inštitut postavlja ob bok drugim mednarodno uveljavljenim raziskovalnim institucijam,« poudarja dr. Marjetka Podobnik.»Na Kemijskem inštitutu bomo raziskali tudi možnosti uporabe virusom podobnih delcev v bionanotehnologiji in sintezni biologiji ter pri načrtovanju novih naprednih materialov na podlagi bioloških molekul. Rekombinantno pridobljene virusom podobne delce je namreč mogoče dokaj enostavno spremeniti na genetskem ali proteinskem nivoju, kar dopušča veliko smeri za nadaljnjo uporabo.«
Tudi za doktorsko študentko Andrejo Kežar »je bila možnost za sodelovanje velik izziv za pridobivanje novih znanj v krioelektronski mikroskopiji, kjer bo poslej mogoče nadaljevati raziskave na zgradbi virusov in virusom podobnih delcev in drugih kompleksnih molekul«.
