Kako so se slovenski znanstveniki spopadli z virusom krompirja?

Kakšne so lastnosti krompirjevega virusa Y, ki prek listnih uši okuži in uničuje krompir, in kako deluje? Bi lahko z odkritjem ranljivosti virusa razvili preventivne strategije pred okužbo? Odgovore na ta vprašanja je pod vodstvom dr. Marjetke Podobnik z odseka za molekularno biologijo in nanobiotehnologijo na Kemijskem inštitutu v Ljubljani pet let iskalo 15 znanstvenikov s treh institucij.

Krompir je ena ključnih kultur na svetu, takoj za koruzo, pšenico in rižem. Krompirjev virus Y (angl. potato virus Y – PVY) spada med peterico ekonomsko najpomembnejših in najbolj razširjenih rastlinskih virusov, saj povzroči hudo škodo na pridelkih okuženih gojenih in divjih rastlin; glavna tarča je krompir, ogroženi pa so tudi tobak, paprika, paradižnik, dalije, petunije, volčje jabolko in druge rastline. Sorta krompirja igor, ki smo jo v Sloveniji gojili na treh četrtinah polj, zasajenih s krompirjem, se je pred približno tridesetimi leti izrodila prav zaradi občutljivosti na virus PVY. Ko virus napade rastlino, lahko povzroči celo stoodstotno uničenje pridelka.

Bolezenska znamenja se pojavijo na listih, pridelovalce pa najbolj prizadene okužba gomoljev, ki potem niso primerni za prodajo. Virus prenašajo uši, širi se tudi s sajenjem okuženih gomoljev.


 

Razkitje oblike virusa

Na Kemijskem inštitutu so virusom podobne delce začeli proučevati leta 2014 in se pozneje osredotočili na virus PVY. Od začetka projekta sodelujejo z Nacionalnim inštitutom za biologijo, kjer imajo dolgoletne izkušnje s proučevanjem tega virusa.

Pomembne ugotovitve o zatiranju virusa zdaj prinaša članek Structural basis for the multitasking nature of the potato virus Y coat protein (Struktura plaščnega proteina virusa Y krompirja pojasnjuje njegovo večplastno delovanje), ki je bil objavljen v sredo v priznani ameriški znanstveni reviji Science Advances. Prva avtorica članka je doktorska raziskovalka na Kemijskem inštitutu Andreja Kežar.



Metodo raziskovanja je na KI uvedla Marjetka Podobnik, ki je pred tem pet let pridobivala izkušnje na podoktorskem izpopolnjevanju v tujini, danes pa v tej ustanovi vodi odsek za molekularno biologijo in nanobiotehnolgijo. Kot pojasnjuje, so z uporabo krioelektronske mikroskopije prvi določili tridimenzionalno strukturo krompirjevega virusa Y pri visoki ločljivosti. Pokazali so, da ima virus obliko kompaktne podolgovate niti – ki je na močno povečani ilustraciji videti kot majhna kačica. Njegovi osnovni gradniki so molekule plaščnega proteina, ki se v obliki vijačnice ovijajo okoli virusnega genskega materiala in ga ščitijo pred zunanjimi vplivi. Ugotovili so tudi, kateri predeli na plaščnem proteinu so ključni za tvorbo arhitekturno dovršenih virusnih niti in za okužbo. »Odkritje je podlaga za nadaljnje raziskave o tem, kako poteka okužba krompirja in kako pride do nje. To bo pripomoglo k iskanju preventivnih strategij za varstvo rastlin pred okužbo,« pojasnjuje Marjetka Podobnik.


 

Delci, ki so videti kot virusi

V raziskavi so poleg tridimenzionalne strukture virusa PVY prvi določili tridimenzionalno strukturo virusom podobnih delcev, ki pa v nasprotju z virusi ne morejo okužiti organizmov. »Ugotovili smo, da je njihova struktura precej drugačna od strukture virusa PVY. Pri virusu podobnih delcih se molekule plaščnega proteina namreč v obliki zloženih prstanov nalagajo v eno dolgo nit. Površina in tudi notranjost teh dolgih proteinskih niti imata zelo posebne lastnosti, ki jih lahko poljubno spreminjamo in pri tem pripravimo delce, ki bi jih bilo mogoče uporabiti za razvoj novih dostavnih sistemov za zdravila, razvoj cepiv, senzorjev za določene signale oziroma molekule v namene diagnostike, prav tako za razvoj hibridnih materialov in nanocevk,« razlaga Podobnikova.

Pomembna je še primerjava tridimenzionalnih struktur virusa PVY in virusom podobnih delcev. Ugotovili so, da je osnovna gradbena molekula obeh tipov niti, to je plaščni protein, tudi sam po sebi zelo plastičen in lahko strukturo prilagaja glede na razmere v okolici. Predvidevajo, da ravno plastičnost omogoča raznolikost funkcij plaščnega proteina.


 

Kaj bo prinesla raziskava?

Po sogovorničinih besedah nameravajo skupaj z biologi še naprej proučevati mehanizem okužb z virusom PVY na rastlinah. Virus je še precej neraziskan, vendar bo pridobljeno znanje pripomoglo k lažjemu proučevanju interakcij med virusnim plaščem in virusnim genskim materialom oziroma drugimi rastlinskimi in virusnimi komponentami ter komponentami listnih uši, ki sodelujejo pri okužbi.
Rezultati raziskave so temelj za boljše razumevanje, kako virus, potem ko prek listne uši okuži rastlino, prehaja skozi različne cikle, si v določenem trenutku »sleče plašč« in se razmnožuje v celicah ter nazadnje »zagospodari po celotni rastlini«.

Med raziskovanjem so odkrili tudi neverjetno ekonomično delovanje virusovega genoma, ki vsebuje le 11 genov, vendar z njimi doseže številne učinke. Proces, ki so ga raziskovalci poimenovali »multitasking«, pa bi bilo mogoče s pridom uporabiti na marsikaterem področju, na primer v kmetijstvu, biomedicini, farmaciji in elektroindustriji.



»Na Kemijskem inštitutu bomo raziskali tudi možnosti uporabe virusom podobnih delcev v bionanotehnologiji in sintezni biologiji ter pri načrtovanju novih naprednih materialov na podlagi bioloških molekul. Rekombinantno pridobljene virusom podobne delce je namreč mogoče dokaj enostavno spremeniti na genetskem ali proteinskem nivoju, kar dopušča veliko smeri za nadaljnjo uporabo.«

Tudi za doktorsko študentko Andrejo Kežar »je bila možnost za sodelovanje velik izziv za pridobivanje novih znanj v krioelektronski mikroskopiji, kjer bo poslej mogoče nadaljevati raziskave na zgradbi virusov in virusom podobnih delcev in drugih kompleksnih molekul«.