Evolucija še vedno razkriva čudeže

Človeška bitja večino informacij o drugih organizmih in o okolju dobimo prek čutil, predvsem z vidom in sluhom. Kemični dražljaji, ki jih sprejemamo prek okusa in vonja, igrajo manjšo vlogo. V tem pogledu smo ljudje v manjšini, saj večina živih bitij pri komunikaciji z drugimi bitji ter pri prepoznavanju okolja uporablja kemične signale. Znanost, ki proučuje interakcije, ki izvirajo iz oddajanja in sprejemanja kemičnih spojin, je kemijska ekologija, na tem področju pa je Eva Kondorosi svetovno znano ime.

Zaslovela je s pionirskimi molekularnobiološkimi raziskavami o simbiozi stročnic in bakterij, ki vežejo dušik, nujen za rast rastlin. Konec preteklega leta je prejela prestižno Balzanovo nagrado za raziskovanje interakcij med koreninami stročnic in simbiotičnih bakterij iz rodu Rhizobia. Nekatere vrste stročnic v koreninah ustvarjajo značilne odebelitve, posebne gomoljčke, v katerih se razvijejo te bakterije, ki rastlinam nato zagotavljajo zadostno količino dušika – prvine, ki je v tleh večinoma ni v obilju. Z ustvarjanjem gomoljčkov in preoblikovanjem bakterij iz svobodne življenjske oblike v simbiotično med organizmoma poteka kompleksen proces izmenjave kemičnih signalov.

Eva Kondorosi je pojasnila mehanizme te interakcije ter odkrila in opisala značilnosti številnih peptidov z veliko cisteina v rastlinskih gomoljih, ki so pomembni za prenos signala. Poleg pomena teh ugotovitev za temeljne znanstvene raziskave je razumevanje vezave dušika pomembno za kmetijsko proizvodnjo in zmanjšanje odvisnosti od umetnih gnojil, saj pri njihovi izdelavi nastajajo velike količine toplogrednih plinov. Razumevanje simbioze rastlin z bakterijami je zelo zanimivo tudi z medicinskega vidika za razvoj novih vrst zdravil, je povedala Kondorosijeva v pogovoru za Delo. Pogovarjala sva se v Rimu prav na dan, ko je od predsednika Italije prejela Balzanovo nagrado za delo v preteklem letu.


 

Dušik je pomemben sestavni del zraka, a ga v zemlji pogosto ni dovolj. Zakaj?

Dušik je nujen za življenje, za velike molekule, za DNA, za beljakovine. V zraku je zelo inerten, v molekuli sta dva dušikova atoma povezana s trojno vezjo. Pridobivanje dušika iz zraka je zelo težko; za to je potrebna velika količina energije. V tleh je malo mineralnih virov dušika, rastline pa lahko uporabljajo le takšne vire. Živali tega plina ne morejo absorbirati ne iz zraka ne iz tal, ampak si ga zagotovijo iz rastlin. Vse poteka v krogu. Vendar dušika v tleh za rastline ni dovolj in zato se uporabljajo gnojila. Prebivalstvo na svetu se množi in potrebuje vedno več hrane. Simbioza nekaterih stročnic in bakterije Rhizobia je torej zelo pomembna.

Katere so te stročnice?

Lucerna, fižol, grah, soja, leča ... To so zdrava živila z veliko beljakovinami. Bakterije lahko vstopijo v simbiozo z rastlino, a to se zgodi samo, če rastlini primanjkuje dušika. Če ga je v tleh dovolj, se z bakterijo ne povežeta.

Signal torej oddajajo le rastline, ki jim primanjkuje dušika?

»Potrebujem dušik!« je signal, ki ga rastlina pošlje s sproščanjem izoflavonoidnih molekul. To sporočilo lahko razume le bakterijski simbiotski partner Rhizobia. Flavonoidi iz rastline so nujni za izražanje genov Rhizobie, ti pa sodelujejo pri razvoju koreninskih odebelitev. Geni namreč spodbujajo nastanek bakterijske signalne molekule, ki jo prepozna le rastlinski gostitelj. Ko jo prepozna, se začne signalna transakcija, ki povzroči bakterijsko okužbo rastline in nastanek odebelitev. Te imajo zelo kompleksno strukturo – gomoljčki imajo zelo majhno napetost kisika, ki je potrebna za simbiotično aktivacijo fiksacije dušika v bakterijah Rhizobia.

Kako poteka fiksacija dušika?

Bakterija odpravi trojno vez v molekuli in jo v kombinaciji z vodikom reducira na amonijak. V epruveti to lahko storite le, če izločite kisik. V bakteriji se dogaja proces transformacije oziroma diferenciacije, prek katerega lahko fiksira dušik. Med rastlinskim gostiteljem in bakterijami se zgodi tudi molekularna komplementacija. Encim, ki ga bakterija fiksira iz zraka, ima dva dejavnika: enega od teh kofaktorjev proizvaja rastlina. Tako rastlina zagotavlja molekulo, ki jo bakterija potrebuje za kompletiranje lastnega encima nitrogenaze.

Kakšno korist ima od simbioze bakterija?

Bakterije tako pridobijo veliko fotosinteznih produktov. Rastlina je vir ogljika in energije, je popoln vir hrane, a vse skupaj kljub temu ni tako preprosto. Bakterije v nekaterih rastlinah poleg vezave dušika doživljajo kompleksne morfološke in fiziološke spremembe. Italijanski znanstvenik Marcello Malpighi je že v 17. stoletju spoznal, da imajo ti gomoljčki »črve«, vendar jim jih takrat ni uspelo izolirati, prav tako ne še dolgo za tem. Niso razumeli, da gre za bakterije in da imajo zmožnost diferenciacije. Znanstveniki so namreč dolgo verjeli, da se lahko diferencirajo le večcelični organizmi. Dokazali smo, da se bakterije lahko diferencirajo enako kot rastline in tudi z enakim mehanizmom.

Kakšen vpliv ima simbioza na kmetijstvo?

Če v tleh ni dovolj dušika, so rastline šibkejše, rumenkaste namesto zelene in ne proizvajajo veliko biomase. Bakterije Rhizobia lahko proizvedejo toliko dušika, da so rastline velike in zdrave. Vendar vse stročnice nimajo enake sposobnosti za vezavo dušika. Fižol in soja sta za polovico slabša v primerjavi z lucerno. Uspeh je odvisen tudi od drugih dejavnikov: kako je prišlo do simbioze, kdaj se je začela in še nekaterih. Obstajajo obdobja v razvoju rastline, ko potrebuje veliko dušika. Včasih se simbioza in fiksacija dušika začneta prepozno.

Se še zmeraj čudite nad simbiozo?

Da, ker je vedno veliko nepričakovanih odkritij in čudežev. Ugotovili smo, na primer, da v diferencirani celici v času simbioze rastlina proizvaja skoraj 800 vrst peptidov. Peptidi so majhne beljakovine in vsi so se razvili zaradi manipulacije simbiotične partnerske bakterije, da bi bolj fiksirala dušik. Gre za popolnoma nov razred peptidov. Nihče prej ni vedel, da obstajajo.

Zakaj jih je toliko?

Rastlina, kot je lucerna, ima veliko genotipov in to velja tudi za bakterije, zato je nujno imeti več peptidov, kot bi bilo potrebno le za en genotip. Opažamo, da se evolucija peptidov v simbiotičnih celicah nadaljuje. Zaradi tako pestre variacije peptidov so stročnice zlata jama za njihovo proučevanje. Evolucija je res čudovita.

V predavanju ste omenili, da je to znanje lahko zelo pomembno v drugih znanstvenih vejah, ne samo v agronomiji.

Te ugotovitve so lahko koristne pri medicinskih raziskavah, za razvoj novih antibiotikov. Rastline lahko ustavijo delitev bakterij v simbiotičnih celicah.

Potem ko z njimi pridobijo dovolj dušika?

Ne, ne, delitev ustavijo pred fiksiranjem dušika. Rastlina želi imeti velike, poliploidne bakterije, ki lahko bolje fiksirajo dušik, zato usmerja bakterijo, da se osredotoči na fiksacijo dušika in da to stori čim bolj učinkovito. Če ni takšne diferenciacije, bakterija ohrani vse svoje funkcije in lahko se odloči, ali bo živela sama ali v sožitju. Če ni pod nadzorom, bakterija ohrani svojo identiteto, in izrazijo se lahko številni drugi geni, kar pa ni najbolj učinkovito s stališča potrebe rastline po dušiku.

Mehanizem nadzora rastlin nad bakterijami je torej ključ do novih vrst antibiotikov?

Tako je, ker rastlina lahko ustavi tudi druge bakterije, ne le Rhizobio. Na ta način lahko vpliva na različne bakterije, uniči gram pozitivne in gram negativne bakterije, glivice in nekatere druge povzročitelje bolezni.

Kdaj lahko pričakujemo uporabo v praksi? V nekaj desetletjih?

Ne verjamem, da bo trajalo tako dolgo. Vemo, da omenjeni peptidi reagirajo s celično površino bakterij, ki imajo ponavadi negativno napetost. Peptidi s pozitivnim nabojem lahko vstopijo v interakcijo z bakterijsko površino in tako stimulirajo tudi protimikrobne lastnosti. Glede na fizikalne lastnosti peptidne baze lahko predvidevamo, kateri bi bili dobri kot antibiotiki.