Коллектив ученых из крупного центра исследований в области защиты растений — Лаборатории Сайнсбери (Sainsbury Laboratory) ботанического сада Кембриджского университета — предложил способ наделить растения защитой на основе антител от конкретных угроз — разнообразных бактериальных, вирусных и грибковых болезней.
Стратегия состоит в том, чтобы ввести альпакам или другим представителям семейства верблюдовых белок из патогена растений, затем выделить необычно маленькие антитела, которые производит организм этих животных, и ввести соответствующий сегмент их гена в собственный иммунный ген растения. В доказательство эффективности своей концепции авторы описали в журнале в Science, как этот подход снабдил модельные виды растений иммунитетом против модифицированной версии вируса, поражающего картофель и родственные культуры.
Ежегодно болезни сельскохозяйственных растений наносят ущерб на миллиарды долларов и создают угрозы продовольственной безопасности в развивающихся странах. У растений развилась собственная многокомпонентная иммунная система, запускаемая клеточными рецепторами, которые распознают общие признаки патогенов, такие как бактериальная клеточная стенка, а также внутриклеточные рецепторы для веществ, секретируемых конкретными патогенами. Если растительная клетка обнаружит эти вещества, она может спровоцировать собственную гибель, чтобы спасти остальную часть растения. Но патогены растений активно эволюционируют и избегают этих рецепторов.
Молекулярный биолог Софиен Камун (Sophien Kamoun) из лаборатории Сейнсбери и его коллеги использовали иммунную систему животных, чтобы модифицировать рецепторы. Во время заражения новым патогеном животные вырабатывают миллиарды слегка различающихся антител, в конечном итоге отбирая и массово производя те, которые лучше всего воздействуют на захватчика.
Верблюды же и их ближайшие родственники удобны для исследования тем, что в их организме производится особый тип антител — нанотела, или антитела из тяжелых цепочек. Напомним, что все антитела представляют собой молекулы белка, состоящие из четырех цепочек аминокислот, соединенных между собой дисульфидными связями так, что в целом молекула имеет форму буквы Y. Из четырех аминокислотных цепочек две называются тяжелыми, а две — легкими. Тяжелые цепочки идут по всей длине буквы Y, легкие дублируют их в раздвоенной части молекулы. У нанотел тяжелых цепочек нет. Их молекулярная масса составляет всего 12–15 килодальтанов (у обычных антител — 150–160 кДа). Еще одно их название — однодоменные антитела — отражает тот факт, что у них имеется только один связывающий домен (участок молекулы, распознающий ее цель — антиген). Во многих случаях такие антитела легче проникают в ткани организма. К тому же они стабильнее обычных антител, а значит, могут дольше храниться и переносить повышение температуры. Обнаружилась у нанотел и способность распознавать антигены, которая не под силу обычным антителам.
Группа Камуна обратилась к двум стандартным нанотелам верблюдовых, которые распознают не белки патогенов, а две разные флуоресцентные молекулы, в том числе знаменитый зеленый флуоресцентный белок (GFP). Команда выбрала эти нанотела для обнаружения тестовых вирусов, в данном случае вируса картофеля, сконструированного так, чтобы он заставлял клетку производить флуоресцентные белки. Йоргос Курелис (Jiorgos Kourelis) соединил ген нанотела, нацеленного на GFP, с геном внутриклеточного иммунного рецептора у табака Бентама (Nicotiana benthamiana). Затем он сделал это же и с геном нанотела, распознающим другой светящийся белок. Потребовалось несколько попыток и доработок, чтобы создать растения, у которых не возникало аутоиммунных реакций из-за модифицированных рецепторов.
Затем Клеманс Маршаль (Clémence Marchal) исследовала, насколько хорошо растения с рецепторами, усиленными нанотелами, обнаруживают измененные вирусы у картофеля. Она обнаружила, что у растений развился сильный иммунный ответ — участки самоуничтожающихся клеток были видны невооруженным глазом — и почти не было репликации вируса, в то время как листья контрольных растений страдали от инфекции.
С тех пор группа разработала культуру для производства нанотел, которые обнаруживают настоящие патогены, но пока не публикуют эти результаты до окончания проверики. Лаборатория подала патентные заявки на новую стратегию по всему миру, в том числе в Европе, где сильная общественная оппозиция генной инженерии означает, что она вряд ли будет коммерциализирована в ближайшее время. Но Софиен Камун говорит, что есть коммерческий интерес из стран за пределами Европы.