Cercetătorii dezvoltă receptori imuni programabili pentru culturi rezistente la boli
Producția agricolă se confruntă cu amenințări din partea patogenilor vegetali.
Metodele tradiționale de ameliorare a rezistenței la boli se bazează în mare măsură pe genele de rezistență naturală, care codifică receptori imuni adaptați la patogeni specifici. Totuși, patogenii care evoluează rapid depășesc frecvent aceste apărări naturale, iar diversitatea limitată a receptorilor imuni care există în mod natural îngreunează dezvoltarea unor culturi cu rezistență de durată.
Recent, o echipă condusă de Prof. GAO Caixia de la Institutul de Genetică și Biologie Dezvoltată (IGDB) al Academiei Chineze de Științe a creat o platformă programabilă pentru proiectarea la cerere a receptorilor imuni sintetici pentru plante (SPIR) care recunosc proteine dintr-o varietate de patogeni vegetali.
Studiul a fost publicat online în revista Science pe 23 iulie.
Receptorii imunologici care constituie obiectul acestui studiu – receptorii intracelulari cu legături nucleotide-binding leucine-rich repeat (NLR) – detectează în principal patogenii prin intermediul unor domenii lungi, foarte repetitive, care sunt greu de inginerizat. Pentru a contracara această problemă, cercetătorii au folosit o clasă distinctă de NLR care recunosc patogenii prin domenii integrate compact modulare (ID), ce pot fi înlocuite cu module de recunoaștere a patogenilor proiectate recent.
Folosind instrumente proteice asistate de inteligență artificială, precum AlphaFold 3 și BindCraft, cercetătorii au proiectat proteine de novo care se leagă specific de proteinele patogenilor. Aceste proteine proiectate au fost integrate în receptorul imunitar de orez Pikm-1 prin înlocuirea domeniului ID nativ, generând SPIR cu specificități de recunoaștere personalizate.
Cercetătorii au folosit această platformă pentru a proiecta 391 de SPIR, care vizau proteine dintr-o gamă largă de patogeni vegetali, inclusiv viruși, bacterii, ciuperci și oomycete. Dintre acestea, 71 (18,2%) au recunoscut țintele dorite și au activat răspunsul imunitar, demonstrând că proiectarea de proteine de novo asistată de AI poate genera receptori imuni funcționali pentru plante.
Cu toate acestea, multe dintre proiectele rămase au fost fie autoactive, fie inactive, indicând că proiectarea bazată pe AI nu a fost suficientă. Pentru a îmbunătăți performanța receptorilor, cercetătorii s-au îndreptat spre evoluția direcționată în planta asistată de replicon de geminivirus (GRAPE), o platformă de înaltă capacitate pe care au stabilit-o anterior, și au folosit-o pentru a optimiza noii SPIR proiectați. Această optimizare a sporit semnificativ activitatea imunitară și a redus autoactivarea nedorită. Plantele transgenice de Nicotiana benthamiana care exprimă SPIR optimizați au arătat o rezistență eficientă la infecția cu Tomato brown rugose fruit virus (ToBRFV), evidențiind potențialul tehnologiei pentru îmbunătățirea culturilor.
Spre deosebire de ameliorarea rezistenței care depinde de genele de rezistență existente în natură, platforma SPIR permite proiectarea personalizată a receptorilor imuni care pot recunoaște ținte patogene complet noi. În principiu, SPIR-urile care vizează proteine din patogeni emergenți pot fi generate acum în câteva săptămâni, oferind o strategie rapidă și versatilă pentru protejarea culturilor împotriva amenințărilor de boli în evoluție.
Această cercetare stabilește o bază pentru imunitatea sintetică programabilă a plantelor, în care receptorii pot fi proiectați, optimizați și utilizați la cerere. Imunitatea sintetică programabilă a plantelor ar putea deveni o strategie generală pentru dezvoltarea culturilor rezistente la boli de nouă generație și întărirea securității alimentare globale.
