Une mystérieuse famille de protéines microbiennes détourne la plomberie cellulaire des cultures

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De nombreuses bactéries qui ravagent les cultures et menacent notre approvisionnement alimentaire utilisent une stratégie commune pour provoquer des maladies : elles injectent un cocktail de protéines nocives directement dans les cellules de la plante.

Depuis 25 ans, le biologiste Sheng-Yang He et son associé de recherche principal Kinya Nomura s’interrogent sur cet ensemble de molécules que les agents pathogènes des plantes utilisent pour provoquer des maladies dans des centaines de cultures dans le monde, allant du riz aux pommiers.

Aujourd’hui, grâce à un effort d’équipe entre trois groupes de recherche collaborateurs, ils pourraient enfin avoir une réponse à la façon dont ces molécules rendent les plantes malades – et un moyen de les désarmer.

Les résultats paraissent le 13 septembre dans la revue Nature.

Les chercheurs du laboratoire He étudient les ingrédients clés de ce cocktail mortel, une famille de protéines injectées appelées AvrE/DspE, qui provoquent des maladies allant de la tache brune dans les haricots et des taches bactériennes dans les tomates jusqu’au feu bactérien dans les arbres fruitiers.

Depuis leur découverte au début des années 1990, cette famille de protéines suscite un grand intérêt pour ceux qui étudient les maladies des plantes. Ce sont des armes clés dans l’arsenal bactérien ; les éliminer dans un laboratoire rend inoffensives les bactéries autrement dangereuses. Mais malgré des décennies d’efforts, de nombreuses questions sur leur fonctionnement restent sans réponse.

Les chercheurs ont identifié un certain nombre de protéines de la famille AvrE/DspE qui suppriment le système immunitaire de la plante ou qui provoquent des taches sombres imbibées d’eau sur les feuilles d’une plante – les premiers signes révélateurs d’une infection. Ils connaissaient même la séquence sous-jacente des acides aminés qui se liaient pour former les protéines, comme des perles sur un fil. Mais ils ne savaient pas comment cette chaîne d’acides aminés se pliait en une forme 3D, ils ne pouvaient donc pas facilement expliquer leur fonctionnement.

Une partie du problème réside dans le fait que les protéines de cette famille sont énormes. Alors qu’une protéine bactérienne moyenne peut contenir 300 acides aminés ; Les protéines de la famille AvrE/DspE sont au nombre de 2000.

Les chercheurs ont recherché d’autres protéines avec des séquences similaires pour trouver des indices, mais aucune avec des fonctions connues n’est apparue.

« Ce sont des protéines étranges », a-t-il déclaré.

Ils se sont donc tournés vers un programme informatique sorti en 2021 appelé AlphaFold2, qui utilise l’intelligence artificielle pour prédire quelle forme 3D prendra une chaîne donnée d’acides aminés.

Les chercheurs savaient que certains membres de cette famille aidaient les bactéries à échapper au système immunitaire de la plante. Mais leur premier aperçu de la structure 3D des protéines suggère un rôle supplémentaire.

« Quand nous avons vu le modèle pour la première fois, cela ne ressemblait en rien à ce que nous pensions », a déclaré Pei Zhou, co-auteur de l’étude et professeur de biochimie à Duke dont le laboratoire a contribué aux résultats.

Les chercheurs ont examiné les prédictions de l’IA concernant les protéines bactériennes qui infectent les cultures, notamment les poires, les pommes, les tomates et le maïs, et ils ont tous mis en évidence une structure 3D similaire. Ils semblaient se replier en un petit champignon avec une tige cylindrique, comme une paille.

La forme prévue correspondait bien aux images d’une protéine bactérienne responsable du feu bactérien dans les arbres fruitiers, capturées à l’aide d’un microscope cryoélectronique. De haut en bas, cette protéine ressemblait beaucoup à un tube creux.

Ce qui a fait réfléchir les chercheurs : peut-être que les bactéries utilisent ces protéines pour percer un trou dans la membrane cellulaire végétale, afin de « forcer l’hôte à boire » pendant l’infection, a-t-il déclaré.

Une fois que les bactéries pénètrent dans les feuilles, l’une des premières zones qu’elles rencontrent est un espace entre les cellules appelé apoplaste. Normalement, les plantes gardent cette zone sèche pour permettre les échanges gazeux nécessaires à la photosynthèse. Mais lorsque les bactéries envahissent, l’intérieur de la feuille devient gorgé d’eau, créant un refuge humide et confortable pour se nourrir et se multiplier.

Un examen plus approfondi du modèle 3D prévu pour la protéine du feu bactérien a révélé que, même si l’extérieur de la structure en forme de paille est résistant à l’eau, son noyau interne creux a une affinité particulière pour l’eau.

Pour tester l’hypothèse du canal d’eau, l’équipe a uni ses forces avec le professeur de biologie Ke Dong et le co-premier auteur Felipe Andreazza, associé postdoctoral dans son laboratoire. Ils ont ajouté les lectures génétiques des protéines bactériennes AvrE et DspE aux œufs de grenouille, en utilisant les œufs comme usines cellulaires pour fabriquer les protéines. Les œufs, placés dans une solution saline diluée, ont rapidement gonflé et éclaté avec trop d’eau.

Les chercheurs ont également tenté de voir s’ils pouvaient désarmer ces protéines bactériennes en bloquant leurs canaux. Nomura s’est concentré sur une classe de minuscules nanoparticules sphériques appelées dendrimères PAMAM. Utilisés depuis plus de deux décennies dans l’administration de médicaments, ces dendrimères peuvent être fabriqués avec des diamètres précis en laboratoire.

« Nous bricolions l’hypothèse selon laquelle si nous trouvions le produit chimique du bon diamètre, nous pourrions peut-être bloquer le pore », a-t-il déclaré.

Après avoir testé des particules de différentes tailles, ils en ont identifié une qui, selon eux, pourrait être la taille idéale pour bloquer la protéine du canal d’eau produite par l’agent pathogène du feu bactérien, Erwinia amylovora.

Ils ont pris des œufs de grenouille conçus pour synthétiser cette protéine et les ont aspergés de nanoparticules PAMAM, et l’eau a cessé de couler dans les œufs. Ils n’ont pas gonflé.

Ils ont également traité des plantes d’Arabidopsis infectées par le pathogène Pseudomonas syringae, responsable de la présence de taches bactériennes. Les nanoparticules bloquant les canaux ont empêché les bactéries de s’implanter, réduisant ainsi de 100 fois les concentrations d’agents pathogènes dans les feuilles des plantes.

Les composés étaient également efficaces contre d’autres infections bactériennes. Les chercheurs ont fait la même chose avec des poires exposées à la bactérie responsable du feu bactérien, et les fruits n’ont jamais développé de symptômes : la bactérie ne les a pas rendus malades.

« C’était loin d’être le cas, mais cela a fonctionné », a-t-il déclaré. « Nous sommes ravis de cela. »

Les résultats pourraient offrir une nouvelle ligne d’attaque contre de nombreuses maladies des plantes, ont indiqué les chercheurs.

Les plantes produisent 80 % de la nourriture que nous consommons. Et pourtant, plus de 10 % de la production alimentaire mondiale – des cultures telles que le blé, le riz, le maïs, la pomme de terre et le soja – sont perdues chaque année à cause des agents pathogènes et des ravageurs des plantes, ce qui coûte à l’économie mondiale la somme faramineuse de 220 milliards de dollars.

L’équipe a déposé un brevet provisoire sur cette approche.

La prochaine étape, ont déclaré Zhou et le co-premier auteur Jie Cheng, titulaire d’un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Zhou, est de comprendre comment fonctionne cette protection, en examinant plus en détail comment les nanoparticules bloquant les canaux et les protéines des canaux interagissent.

« Si nous pouvons visualiser ces structures, nous pourrons mieux les comprendre et proposer de meilleures conceptions pour la protection des cultures », a déclaré Zhou.

Ce travail a été soutenu par l’Institut national des allergies et des maladies infectieuses (1R01AI155441) et l’Institut national des sciences médicales générales (GM145026), tous deux situés aux National Institutes of Health, Duke Science and Technology et au Howard Hughes Medical Institute.

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