Muitas das bactérias que causam estragos nas colheitas e ameaçam o nosso abastecimento alimentar utilizam uma estratégia comum para induzir doenças: injetam combinações de proteínas prejudiciais diretamente nas células vegetais. Há 25 anos, o biólogo Shengyang He e seu pesquisador sênior Shinya Nomura estudam o conjunto de moléculas que os patógenos de plantas usam para causar doenças em centenas de culturas em todo o mundo, desde arroz até pomares de maçã.
Agora, três grupos de pesquisa colaborativos finalmente encontraram respostas sobre como essas moléculas deixam as plantas doentes, bem como maneiras de desfazê-las.
Resultados relevantes da pesquisa foram publicados na revista Nature em 13 de setembro.
Pesquisadores no laboratório 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 até manchas bacterianas em tomates e queimaduras em árvores frutíferas.
Desde a sua descoberta no início da década de 1990, as pessoas que estudam doenças de plantas têm tido um grande interesse nesta família de proteínas. São armas essenciais nos arsenais bacterianos; eliminá-los no laboratório pode tornar inofensivas bactérias que de outra forma seriam perigosas. Mas, apesar de décadas de esforços, muitas questões sobre como funcionam permanecem sem resposta.
Os pesquisadores descobriram que muitas proteínas da família AvrE/DspE podem suprimir o sistema imunológico de uma planta ou formar manchas pretas encharcadas de água nas folhas das plantas – o primeiro sinal de infecção. Eles até conhecem a sequência básica dos aminoácidos, que se unem como contas em um cordão para formar proteínas. Mas eles não sabiam como a cadeia de aminoácidos se dobrava na sua forma tridimensional, por isso não conseguiam explicar facilmente como funcionavam.
Parte do problema é que as proteínas desta família são muito grandes. As proteínas bacterianas gerais podem ter apenas 300 aminoácidos, enquanto as proteínas da família AvrE/DspE têm 2.000 aminoácidos.
Os pesquisadores procuraram outras proteínas com sequências semelhantes em busca de pistas, mas não encontraram nenhuma com função conhecida.
“São proteínas estranhas”, disse ele. Então recorreram a um programa de computador chamado AlphaFold2, lançado em 2021, que usa inteligência artificial para prever a forma tridimensional de uma determinada cadeia de aminoácidos.
Os pesquisadores sabem que alguns membros desta família ajudam as bactérias a se esconderem do sistema imunológico da planta. Mas quando viram a estrutura tridimensional da proteína pela primeira vez, descobriram outro papel.
“Quando vimos este modelo pela primeira vez, era completamente diferente do que imaginávamos”, disse o coautor do estudo Pei Zhou, professor de bioquímica na Universidade Duke.
Os pesquisadores estudaram as previsões de IA de proteínas bacterianas que infectam culturas como peras, maçãs, tomates e milho e descobriram que todas elas tinham estruturas tridimensionais semelhantes. Eles parecem se dobrar em um pequeno cogumelo com haste cilíndrica, como um canudo.
A forma prevista correspondia estreitamente às imagens capturadas usando microscopia crioeletrônica da proteína bacteriana que causa queimaduras em árvores frutíferas. Vista de cima para baixo, a proteína se parece muito com um tubo oco.
Isso fez os pesquisadores pensarem: talvez as bactérias usem essas proteínas para fazer buracos nas membranas das células vegetais e “forçar o hospedeiro a beber água” durante o processo de infecção.
Quando as bactérias entram em uma folha, uma das primeiras áreas com as quais entram em contato é o espaço entre as células, chamado citoplasma. Normalmente, as plantas mantêm esta área seca para permitir as trocas gasosas necessárias à fotossíntese. Mas quando as bactérias invadem, a água se acumula dentro das folhas, criando um paraíso úmido e confortável para elas se alimentarem e se reproduzirem.
Um estudo mais aprofundado do modelo tridimensional previsto da proteína da queima do fogo revelou que, embora a parte externa da estrutura semelhante a palha seja resistente à água, seu núcleo oco tem uma afinidade especial pela água.
Para testar a hipótese do canal de água, a equipe de pesquisa colaborou com o professor de biologia da Duke University, Dong Ke, e seu pós-doutorado de laboratório e co-autor Felipe Andreazza. Eles adicionaram leituras genéticas das proteínas bacterianas AvrE e DspE aos ovos de rã, usando os ovos como fábricas celulares para produzir essas proteínas. Coloque os ovos de rã em solução salina diluída. Muita água fará com que os ovos inchem rapidamente e se rompam.
Os pesquisadores também tentaram desbloquear essas proteínas bacterianas bloqueando seus canais. Nomura se concentrou em um tipo de minúsculas nanopartículas esféricas chamadas dendrímeros PAMAM. Esses dendrímeros têm sido usados na administração de medicamentos há mais de duas décadas e podem ser transformados em partículas com diâmetros precisos em laboratório.
“Nossa hipótese era que, se encontrássemos produtos químicos com o diâmetro certo, poderíamos tapar os poros”, disse ele.
Depois de testar partículas de diferentes tamanhos, eles encontraram uma que consideraram ter o tamanho certo para bloquear as aquaporinas produzidas pelo patógeno da queima do fogo Erwiniaamylovora.
Eles pegaram ovos de rã que poderiam sintetizar essa proteína e os regaram com nanopartículas de PAMAM, para que a água não fluísse mais para os ovos de rã. Eles não incham.
Eles também trataram plantas de Arabidopsis infectadas com o patógeno Pseudomonas syringae, que causa manchas bacterianas. As nanopartículas bloqueadoras de canais interromperam o crescimento bacteriano, reduzindo as concentrações de patógenos nas folhas das plantas em até 100 vezes.
Estes compostos também são eficazes contra outras infecções bacterianas. Os investigadores fizeram a mesma experiência com frutos de pêra, que foram expostos à bactéria que causa a queima do fogo, mas os frutos nunca apresentaram sintomas – a bactéria não os deixou doentes.
“Foi um processo longo, mas funcionou”, disse ele. "Estamos muito entusiasmados com isso."
Os pesquisadores dizem que as descobertas podem fornecer novas ideias para controlar muitas doenças de plantas. 80% dos alimentos que comemos são produzidos por plantas. No entanto, mais de 10% da produção alimentar mundial – culturas como o trigo, o arroz, o milho, a batata e a soja – perde-se todos os anos devido a agentes patogénicos e pragas de plantas, custando à economia global cerca de 220 mil milhões de dólares.
A equipe de pesquisa solicitou uma patente provisória para este método. O próximo passo é descobrir como essa proteção funciona, examinando mais detalhadamente como as nanopartículas bloqueadoras de canais e as proteínas dos canais interagem, disseram Zhou e o co-autor Jie Cheng, estudante de doutorado no laboratório de Zhou.
“Se conseguirmos visualizar essas estruturas, poderemos compreender melhor e projetar melhores soluções de proteção de cultivos”, disse Zhou.