Почвенные бактерии вида Bacillus thuringiensis вырабатывают токсины Cry — белки с инсектицидными свойствами, то есть способностью уничтожать вредителей. Во время спорообразования они формируют кристаллы, которые специфично действуют против гусениц, жуков, комаров и других вредителей, но остаются безопасными для людей, теплокровных животных и полезных насекомых, например, пчел. По этой причине их давно применяют в сельском хозяйстве и при создании биопрепаратов, защищающих хозяйственно-ценные растения.
Белок Cry состоит из трех стабильных и автономных функциональных частей — доменов, сочетание которых определяет свойства и круг организмов, которые он поражает. Домены участвуют в распознавании цели, взаимодействии с ней и формировании токсического эффекта. Как отмечают ученые, насекомые со временем адаптируются к существующим биологическим средствам поражения. Поэтому одним из основных двигателей эволюции белков становится обмен доменами, обеспечивающий появление измененных вариантов, способных точечно уничтожать конкретные группы вредителей.
Исследовательский коллектив Санкт-Петербургского государственного университета и Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии совершил научный прорыв, проанализировав доступные последовательности и принципы формирования обновленных соединений. Оказалось, что важную роль в появлении нового токсина Cry играет сайт-специфическая рекомбинация — процесс, при котором молекулы ДНК обмениваются определенными участками, кодирующими фрагменты белка, что приводит к возникновению иных сочетаний доменов и впоследствии — средств борьбы с вредителями. Данное понимание меняет существовавшие ранее представления о том, что ключевым фактором здесь выступает другой тип рекомбинации — гомологичная. Результаты работы, выполненной при поддержке гранта Российского научного фонда, опубликованы в научном журнале The ISME Journal.
«Мы показали, что существенная часть известных Cry-токсинов участвовала в событиях рекомбинации. Помимо этого, нами был предложен механизм, объясняющий, почему токсины, хотя они достаточно разнообразны, подвергаются одному и тому же процессу. Мы выявили, что между доменами есть консервативные участки, которые провоцируют обмен. Также, основываясь на проведенном масштабном биоинформатическом анализе, мы обосновали, какой конкретно бактериальный фермент может обеспечивать данный процесс», — рассказал профессор СПбГУ Кирилл Антонец.
Глава исследовательского коллектива, руководитель основной образовательной программы магистратуры «Биоинформатика», профессор СПбГУ Кирилл Антонец отметил, что наиболее значимая часть работы была выполнена аспирантом СПбГУ Антоном Шиковым. Универсант выявил белок, отвечающий за поиск высококонсервативных участков ДНК, способствующих рекомбинации, что позволило описать предполагаемый молекулярный механизм возникновения новых токсинов Cry.
«Полученные результаты меняют представления о том, как возникают новые формы токсинов Cry и объясняют разрозненные эволюционные представления. Проведенный нами анализ показал, что именно сайт-специфическая природа образования новых последовательностей токсинов представляет собой своеобразный универсальный конструктор, позволяющий бактериям быстро адаптироваться к новым экологическим нишам», — отметил первый автор работы, аспирант СПбГУ Антон Шиков.
Появление нового варианта токсина — это только первый этап его эволюции, за которым в действие вступает естественный отбор. Новые узкоспециализированные варианты формируются из более универсальных в результате отбора гибридных белков, наиболее приспособленных к воздействию на конкретные организмы-мишени. Так они постепенно приобретают специализацию и адаптируются к определенным группам организмов.
Полученные результаты позволяют по-новому взглянуть на эволюцию многодоменных белков, отвечающих за проникновение патогена в организм хозяина — насекомого, наносящего вред той или иной сельскохозяйственной культуре. Понимание закономерностей, по которым возникают новые сочетания их функциональных частей, принципиально важно для разработки биоинсектицидов нового поколения. Чем больше известно о механизмах формирования и специализации токсинов Cry, тем точнее можно прогнозировать характеристики их новых вариантов, эффективность и специфичность поражения насекомых-вредителей.
По словам биоинформатиков Университета, в перспективе выводы исследования могут быть использованы для рационального проектирования новых биологических средств защиты растений методами вычислительной и синтетической биологии. Данные позволят еще больше приблизиться к целенаправленному конструированию белков, обладающих всеми необходимыми характеристиками для таргетной борьбы с вредоносными видами насекомых при полной безопасности для человека и окружающей среды.