9 februarie 2023
Un atlas al receptorilor de tip NOD la plante
Interviu cu dr. Eliza Martin, cercetător la Institutul de Biochimie al Academiei Române
Un grup de cinci cercetători români de la Institutul de Biochimie al Academiei Române și doi cercetători olandezi de la Universitatea Wageningen publică în ediția din ianuarie 2023 a prestigioasei reviste de specialitate „Nucleic Acids Research“ articolul intitulat NLRscape: an atlas of plant NLR proteinsi. Atlasul, disponibil la adresa https://nlrscape.biochim.ro/, a fost gândit pentru cercetătorii din domeniul științei plantelor și conține 80.000 de proteine de la toate plantele. Pe baza cunoștințelor pe care le relevă acest atlas se pot dezvolta aplicații directe pentru agricultură, însă potențialul cercetării este mult mai vast.
Pentru a afla detalii despre tema articolului, am discutat cu primul autor al lucrării, dr. Eliza Martin*. A rezultat interviul pe care vi-l propun în continuare.
Cătălin Mosoia: Ce este NLRscape, acest atlas al receptorilor de tip NOD la plante?
Eliza Martin: NLR vine de la Nod Like Receptor, receptor de tipul nod. NLRscape este o bază de date online de tip atlasii, unde utilizatorii pot interacționa cu informațiile corespunzătoare acestor receptori. Unii utilizatori interesați de această clasă de proteine doresc să-și formeze o părere generală despre tipul de receptori care se găsesc într-o anumită specie de cultură – roșia, de exemplu; alți utilizatori deja lucrează pe un anumit receptor și studiază intens această proteină. Cu alte cuvinte, atlasul oferă atât perspectiva de ansamblu asupra receptorilor dintr-o specie de cultură, cât și perspectiva detaliată a unui anumit receptor din respectiva specie de cultură.
Cătălin Mosoia: Atlasul NLRscape permite formarea ambelor perspective asupra receptorilor de tip NOD la plante, generală și particulară – atât „pădurea“, cât și „copacul“. Care este potențialul pe care îl prezintă cercetarea?
Eliza Martin: NLRscape este conceput pentru specialiștii din domeniul științei plantelor care studiază diferențele dintre profilurile de rezistență la anumiți patogeni – în special, ei investighează soiurile de cultură pentru că acestea sunt de maxim interes pentru agricultură. Este o certitudine faptul că foarte multe soiuri intens cultivate și-au pierdut o serie de receptori, pe care „rudele“ lor sălbatice încă îi mai au.
Potențialul pe care îl prezintă această cercetare constituie punctul de pornire pentru dezvoltarea tehnologiilor de diversificare a recunoaşterii patogenilor şi controlul imunităţii înnăscute. De exemplu, aplicarea rezultatelor contribuie la obținerea speciilor de cultură mai rezistente la patogeni. Roșia care se cultivă în sere – de fapt, majoritatea soiurilor de roșie de seră – este vulnerabilă la o familie întreagă de fungi, aceștia fiind niște ciuperci dăunătoare care atacă roșia. Anual se pierd foarte multe culturi doar din cauza acestui patogen, care este foarte contagios, pentru că ajunge în seră prin spori și, din cauza circulației aerului, circulație închisă, se răspândește foarte ușor; apoi, umezeala face ca sera să fie mediul preferat de acest fung. Spre deosebire de roșiile de seră, roșiile sălbatice, pe care noi nu le mai considerăm comestibile, sunt rezistente la acești patogeni.
Prezenta cercetare se înscrie în tematica mai largă a departamentului nostru, care se concentrează pe dezvoltarea de metode şi utilizarea tehnicilor de bioinformatică şi biocalcul în dirijarea cercetării experimentale în ştiinţele vieţii la nivel molecular în general, nu doar în ştiinţa plantelor, ca în cazul NLRscape. Astfel, pe baza informaţiilor gestionate prin metode bioinformatice şi a predicţiilor bazate pe simulări numerice ale structurilor şi proceselor biologice, în loc să se facă 1.000 de experimente care ar dura ani și ar costa foarte mult, se restrânge foarte mult timpul și spațiul de căutare; astfel, toate cele 1.000 de ipoteze se pot prioritiza astfel încât să fie testate doar cele mai probabile. Astfel de cercetări in silico înseamnă economie de timp și de resurse. Acesta este motivul pentru care departamentul nostru este un nod important într-o vastă reţea de colaborări naționale și internaționale.
De exemplu, cercetările în studiul structurii 3D a receptorilor de tip NOD, iniţiate acum mai bine de 15 ani în cadrul departamentului, sunt esenţiale pentru colaboratorii noștri de la Universitatea din Wageningeniii, care experimentează cu scopul de a înțelege mai bine cum funcționează, ca mecanism, imunitatea la plante pentru diferiți patogeni și cum se produce încrucișarea speciilor de cultură care păstrează calitățile fiecărei specii. Colegii de la institutele de cercetare din Regatul Țărilor de Jos fac experimente, în special, pe cartof și roșie, specii de cultură care sunt înrudite; în serele lor sunt atât soiuri care sunt rezistente, cât și soiuri care nu sunt rezistente la o anumită boală. De asemenea, pentru înțelegerea mecanismului de funcționare al acestor receptori și modul în care se propagă răspunsul imun, departamentul nostru a colaborat de-a lungul timpului cu grupuri de la Institutul Național de Cercetare pentru Agricultură, Alimentație și Mediu din Franţa, Institutul Max Planck din Köln, Germania, universităţile Berkeley și Davis din California și Institutul de Tehnologie din Illinois, SUA. În domeniul sistemului imun adaptativ, colaborăm cu Universitatea Yale; în domeniul medicinei moleculare cu Universitatea Catolică din Leuven, Belgia, iar în domeniul gerontologiei cu Universitatea Ben-Gurion, Israel, şi Universitatea din Liverpool, Marea Britanie; în domeniul glicobiologiei şi virusologiei, colaborăm cu Universitatea din Oxford și colegi din alte departamente ale Institutului de Biochimie al Academiei Române.
Cătălin Mosoia: Atlasul de proteine NLRscape conține toți receptorii de la plante.
Eliza Martin: În total NLRscape gestionează 80.000 de proteine identificate până în prezent de la toate planetele. În linii mari, aceste proteine sunt clasificate în funcție de diferite proprietăți ale receptorilor dar și taxonomic, în funcție de grupurile mari de plante în care se găsesc – cum ar fi monocotiledonatele (cerealele) – care, la rândul lor, se ramifică în alte grupuri mai mici și așa mai departe. De asemenea, atlasul aduce o serie de instrumente bioinformatice de analiză, clusterizare şi comparare a acestor proteine, ce sunt integrate în aplicația web și pot fi utilizate în mod interactiv de către utilizatori pentru formularea de ipoteze.
Cătălin Mosoia: Intenționați să extindeți cercetarea de la plante la animale?
Eliza Martin: Da, intenționăm să extindem atlasul întrucât receptorii de tip NOD se regăsesc în toate regnurile vieții. Există multe similarități între receptorii provenind de la plante, fungi, animale și anumite clase de bacterii, dar în același timp și multe diferențe, în special structurale.
Acești receptori, atât la plante, cât și la animale, conțin un „întrerupător“ molecular, care poate fi deschis sau închis pornind astfel răspunsul imun. Înțelegerea relației dintre secvența ADN, structura 3D și comportamentul biologic al acestor „întrerupători“ moleculari este de mare interes în studiul acestor grupuri de receptori, atât la plante cât și la animale.
Cătălin Mosoia: Cum de ați ales mai întâi plantele și nu animalele?
Eliza Martin: Spre deosebire de plante, animalele, vertebratele în special, prezintă și un al doilea sistem imunitar, cel adaptativ, sistemul prin anticorpi. Plantele au numai sistemul imunitar înnăscut. De aceea, tipul acesta de receptori este mult mai studiat la plante; în plus, are implicații importante în agricultură și în ceea ce privește controlul patogenilor.
Cele două sisteme, înnăscut și dobândit, sunt independente; nu au mecanisme comune, dar servesc aceluiași scop, acela de a proteja organismul de patogeni. Plantele au dezvoltat un sistem înnăscut, extrem de diversificat, probabil pentru că nu au un mecanism alternativ.
Cătălin Mosoia: Agricultura este domeniul de aplicabilitate a cercetării.
Eliza Martin: În primul rând, toate rezultatele ajung din nou în domeniul vast al cercetării și apoi se dezvoltă aplicații directe pentru agricultură.
Cătălin Mosoia: În funcție de planta respectivă?
Eliza Martin: Da, pentru că procesul este foarte complex. Fiecare din sutele de proteine care se regăsesc în interiorul unei specii recunoaște o gamă de patogeni – cum aceste proteine interacționează între ele, rezultă un sistem extrem de complex, ca un angrenaj cu foarte multe rotițe, iar înțelegerea noastră despre cum funcționează acest mecanism este încă destul de limitată.
Cătălin Mosoia: Când a început această cercetare?
Eliza Martin: Personal, am început această cercetare în perioada programului de studii doctorale. La nivelul institutului, Departamentul de bioinformatică colaborează de peste 15 de ani cu mai multe universități din Europa și din SUA. Studiile, realizate sub îndrumarea domnului dr. Andrei-Jose Petrescu, s-au concentrat pe investigarea structurii și funcționării unor familii de proteine ale sistemului imun prin metode de cercetare experimentală dirijată prin tehnici bioinformatice și de biocalcul, cercetări care au condus la rezultate publicate în reviste științifice de mare prestigiu, cum ar fi „Nature“, „Nucleic Acids Research“, „PLoS Biology“ sau „Cell Host Microbe“.
* Dr. Eliza Martin este asistent de cercetare în cadrul Departamentului de Bioinformatică și Biologie Structurală al Institutului de Biochimie al Academiei Române (https://biochim.ro/group-bioinformatics-structural-biochemistry/). Imediat după absolvirea Facultății de Chimie, Universitatea din București, și-a continuat studiile în direcția biochimiei – master în Biochimie și Biologie Moleculară, Facultatea de Biologie, Universitatea din București –, dar și în domeniul informaticii – doctorat în Bioinformatică și Biologie Structurală, Școala de Studii Avansate a Academiei Române. În prezent, dr. Eliza Martin a fost acceptată la un stagiu postdoctoral în cadrul Universității Yale, unde își continuă studiile în domeniul imunobiologiei inițiate în timpul stagiului doctoral.
Cătălin Mosoia
i Eliza C. Martin, Catalin F. Ion, Florin Ifrimescu, Laurentiu Spiridon, Jaap Bakker, Aska Goverse, Andrei-J. Petrescu, NLRscape: an atlas of plant NLR proteins, Nucleic Acids Research, 2022, https://doi.org/10.1093/nar/gkac1014
ii Atlasul de proteine NLRscape este disponibil online la adresa https://nlrscape.biochim.ro/.
iii Misiunea declarată a Universității din Wageningen, Regatul Țărilor de Jos, este de a investiga potențialul naturii pentru a îmbunătăți calitatea vieții (To explore the potential of nature to improve the quality of life), https://www.wur.nl/en/wageningen-university/about-wageningen-university.htm.