Istraživanje objavljeno u časopisu Nature Communications pokazalo je da razlika između divljeg i kultiviranog rajčina lista nije u količini obrambene tvari, nego u tome kako je ta tvar složena u prostoru.
Znanstvenici su usporedili steroidne glikoalkaloide, prirodne tvari koje rajčice, krumpiri i patlidžani proizvode kao kemijsku obranu od kukaca i patogena. U listovima kultiviranih rajčica (Solanum lycopersicum) prevladava α-tomatin, dok u divljim rajčicama (Solanum pennellii) dominira filotomain. Obje tvari imaju isti sadržaj šećera, ali im se trodimenzionalna struktura molekularne jezgre razlikuje.
Tu u igru ulazi kiralnost — svojstvo molekule da se ne može savršeno preklopiti sa svojom zrcalnom slikom, kao što se desna i lijeva ruka ne mogu poklopiti. Filotomain je u laboratorijskim pokusima pružio bolju zaštitu od lisnog moljca rajčice (Phthorimaea absoluta) od α-tomatina. Rezultat je potvrđen i na biljkama i u biotestovima na umjetnoj hrani, gdje su kukci hranjeni pripravkom bez drugih utjecaja biljke.
Četiri aminokiseline mijenjaju sve
Studijom je koordinirao Jiancai Li sa Šangajskog instituta za fiziologiju i ekologiju bilja pri Kineskoj akademiji znanosti u Pekingu. U istraživanju je sudjelovao i José Maurício Simões Bento s Poljoprivrednog fakulteta Luiz de Queiroz Sveučilišta u São Paulu (ESALQ-USP).
Li, koji radi na genetici, biokemiji i biosintezi specijaliziranih biljnih metabolita, i Bentov tim, usmjeren na kemijsku ekologiju i interakcije biljaka i kukaca, udružili su pristupe. Ključni nalaz: zamjena četiriju aminokiselina u jednom enzimu dovoljna je da promijeni strukturu tvari i poveća njezinu toksičnost za štetnika. To otvara put stvaranju otpornih rajčica genskim uređivanjem.
Točna molekularna meta tih glikoalkaloida u kukcima još nije poznata. Li smatra da je iza uočene razlike vjerojatno stereospecifično prepoznavanje — sposobnost biološke mete da razlikuje prostorne konfiguracije. Bento dodaje da rezultati pokazuju kako obrana biljke ne ovisi samo o prisutnosti i količini tvari, nego i o tome kako su molekule organizirane u prostoru.
Ovo nije prvi put da se kiralnost pokazuje presudnom u biologiji. Aminokiseline i šećeri u živim sustavima pretežno postoje u jednom od svojih enantiomernih oblika, pa se samo jedna konfiguracija može ispravno uklopiti u vezno mjesto proteina. Isti princip već se godinama koristi u razvoju lijekova iz prirodnih biljnih proizvoda.
Ono što ovo istraživanje ne rješava jest pitanje koje se samo nameće: ako je filotomain toliko djelotvorniji, zašto ga kultivirane rajčice tijekom stoljeća uzgoja nisu zadržale? Odgovor vjerojatno leži u kompromisu između obrane i prinosa — svaka dodatna obrambena tvar stoji energiju koju biljka inače ulaže u plod. Selekcija je birala krupniji i slađi plod, a ne list otporan na moljca.
Četiri aminokiseline odlučuju hoće li divlja rajčica preživjeti napad svoje glavne štetočine. To je zaključak istraživanja koje je na molekularnoj razini objasnilo zašto divlje vrste rajčice proizvode otrovne glikoalkaloide u obliku koji kultivirane sorte ne mogu.
Ključ je u genu GAME8 koji kodira enzim u biosintezi tih spojeva. Divlje rajčice imaju dva gotovo identična gena, GAME8a i GAME8b. Enzim iz prvog usmjerava proizvodnju filotomatina, drugi pogoduje α-tomatinu. Kod uzgojenih rajčica oba gena imaju identičnu kodirajuću sekvencu i oba vode prema α-tomatinu.
Razlika se svodi na prostorni raspored. Enzimi djeluju na prekursorsku molekulu i određuju koju će kiralnu konfiguraciju — R ili S — poprimiti konačni produkt. Slova dolaze od latinskih riječi rectus (desno) i sinister (lijevo). R vodi u filotomain, S u α-tomatin.
Četiri aminokiseline u katalitičkoj šupljini
Istraživači su zatim tražili što unutar samih enzima čini tu razliku. Identificirali su četiri aminokiseline smještene oko katalitičke šupljine koje određuju orijentaciju prekursora unutar nje.
„Te četiri aminokiseline određuju orijentaciju prekursorske molekule unutar šupljine. Ta orijentacija definira koji će se atom vodika modificirati i, posljedično, konačnu konfiguraciju produkta”, objašnjava Li.
Mehanizam je jednostavan: molekula ulazi u šupljinu, četiri aminokiseline određuju njezin položaj, o položaju ovisi koji atom vodika enzim zahvati. Male promjene na „zidovima” te strukture mijenjaju orijentaciju supstrata i prostorni ishod reakcije. „Kineski tim uspio je razotkriti molekularni mehanizam s velikom preciznošću”, komentira Bento.
Za Lija to otvara put namjernom mijenjanju kiralnosti prirodnih biljnih produkata. Enzimi bi se u načelu mogli dizajnirati tako da proizvode konfiguraciju s najvećom aktivnošću i najmanjom toksičnošću — što zanima i sintetičku biologiju.
Superiornost nije apsolutna
Najzanimljiviji nalaz došao je kad su dvije molekule testirali na drugom kukcu. Filotomain i α-tomatin pokazali su sličan obrambeni učinak protiv Spodoptera litura, generalista koji se hrani brojnim biljnim vrstama. Prednost filotomaina, dakle, nije univerzalna — ovisi o tome koji kukac napada biljku.
„Naši rezultati sugeriraju da filotomain nije jednostavno toksičniji u općem smislu. Da jest, očekivali bismo da sve divlje vrste rajčice nakupljaju filotomain”, tvrdi Li.
No to nije slučaj. Različite divlje vrste nakupljaju različite konfiguracije, što upućuje na to da svaki kemijski profil nosi prednost protiv herbivora iz određenog okoliša. „To sugerira da se kemijska obrana biljaka razvijala kao odgovor na vrlo specifične interakcije s pojedinim herbivorima, a ne jednostavno da bi biljke postale toksičnije općenito”, kaže Bento.
Rezultati otvaraju evolucijsko pitanje. S. pennellii ima genetsku sposobnost proizvesti oba izomera, ali u lišću pretežno nakuplja filotomain, a u ostalim tkivima α-tomatin. Budući da je lišće glavna meta herbivora, ta raspodjela vjerojatno nije slučajna.
„Za sada su naši dokazi korelacijski. Uočili smo da filotomain pruža veću otpornost na P. absoluta, koji prirodno dolazi u interakciju sa S. pennellii. Budući da je lišće organ najizloženiji napadu, to tumačimo kao vjerojatan rezultat dugotrajne koevolucije između biljke i njezinih specijaliziranih herbivora”, napominje Li. No upozorava da je definitivan dokaz takvog evolucijskog scenarija iznimno teško dobiti.
Molekularna arhitektura, a ne količina otrova, odlučuje hoće li rajčica preživjeti napad svojeg najvećeg neprijatelja. To je zaključak istraživanja objavljenog u časopisu Nature Communications koje je pronašlo četiri aminokiseline odgovorne za to kako enzim GAME8 gradi obrambene tvari u biljci.
Istraživači su pokazali da je moguće presložiti te aminokiseline tako da rajčica počne nakupljati filotomatine, spoj koji je otporan na moljca Tuta absoluta, poznatog kao južnoamerički moljac rajčice. Li, jedan od autora, tvrdi da je to tehnički izvedivo bez unošenja stranih gena: „Možemo to učiniti uređivanjem četiriju ključnih aminokiselina primjenom postojećih biotehnologija.”
Što se krije iza „bez stranih gena”
Ta rečenica zvuči umirujuće, ali je treba čitati pažljivo. Uređivanje vlastitog genoma biljke nije isto što i GMO u smislu u kojem ga mi razumijemo i na koji smo kao uredništvo izrazito osjetljivi. Nema unosa gena iz druge vrste, nema bakterijskog vektora, nema konstrukta koji se prenosi s polja na polje. To je preslagivanje unutar iste biljke.
No upravo tu leži pitanje koje izvor nije postavio: ako je tehnologija tako precizna i „bez stranih gena”, zašto se onda o njoj odlučuje u laboratorijima i komercijalnim tvrtkama, a ne pred domaćim poljoprivrednicima i potrošačima? Tko će jamčiti da se ovakva intervencija neće proširiti na svojstva koja nemaju veze s otpornošću na štetnika?
Sam istraživački tim priznaje da je put do komercijalne sorte dug. Pokus je pokazao da konfiguracija koja bolje djeluje protiv jedne vrste kukca nije nužno bolja protiv drugih, pa će trebati testirati učinke na druge štetnike, poput leptira mušice. Glikoalkaloidi, naime, nisu samo obrambene tvari — mijenjanje njihova metabolizma može dirnuti kvalitetu ploda, okus i antinutritivna svojstva.
Lekcija koja nadilazi rajčicu
Ono što ovo istraživanje doista mijenja nije rajčica, nego način na koji razmišljamo o obrani biljaka. Do sada se otpornost pojačavala povećanjem količine otrovne tvari — više otrova, više zaštite, ali i više rizika za tlo, korisne kukce i, na kraju, čovjeka. Ovdje se pokazuje da je dovoljno promijeniti prostorni raspored molekule koju biljka već proizvodi.
To je važan princip i za poljoprivredu, koja godinama ovisi o uvoznim sortama i zaštitnim sredstvima. Ako se potvrdi da se otpornost može graditi bez povećanja toksičnosti, otvara se prostor za domaća istraživanja i vlastite sorte, umjesto da se svaki pomak u zaštiti bilja čeka iz stranih laboratorija.
Ostaje, međutim, oprez. Studija je temelj, ne rješenje. Prije nego što bi se ovakva rajčica našla na stolu, treba proći niz testova na drugim štetnicima, na kvaliteti ploda i na dugoročnim učincima na tlo. I upravo zato ovakve odluke ne bi smjele ostati samo u rukama znanstvenika i industrije — o njima bi trebali odlučivati i oni koji će tu rajčicu jesti.
0 komentara
Još nema komentara. Budite prvi.