В засушливых условиях растения могут стать естественной защитой. Они производят гормон, называемый абсцизовой кислотой, или ABA, который связывается с белком, называемым рецептором PYL, запуская цепочку реакций, которые в конечном итоге закрывают поры растения на его листьях. «Растения практически не теряют воду», — объяснил Саураб Шукла, аспирант Иллинойского университета. «Они сберегают водные ресурсы и выживают в течение более длительных периодов времени».
Ключ — гормон ABA. Из-за своей умеренной стабильности и молекулярной сложности ABA не может непосредственно распыляться в полях. Но Шукла сказал: «Если мы сможем понять, как работает гормон, мы сможем разработать некую молекулу, которую можно распылять и которая будет выполнять ту же работу за нас».
Если исследователи смогут найти молекулу, которая не только работает так же, как гормон ABA, но также является дешевой, стабильной и экологически чистой, то фермеры смогут использовать ее, чтобы сделать свои посевы засухоустойчивыми.Но детали того, как работает ABA, неуловимы. Экспериментальные методы, такие как дифракция рентгеновских лучей, позволяют делать снимки гормона до и после связывания с рецептором PYL, но они не могут уловить их сразу.
Поэтому Шукла и его коллеги обратились к суперкомпьютерам.Используя молекулярно-динамическое моделирование, исследователи впервые раскрыли молекулярные детали того, как ABA связывается с рецептором PYL.
Моделирование показывает кадр за кадром, как и где гормон связывается с белком и заставляет его менять форму, что позволяет ему активировать следующий белок в последовательности, что в конечном итоге позволяет растению закрывать поры.«Вы точно знаете, что происходит в микроскопическом масштабе», — сказал Шукла. «Это как в кино».
И фильм заканчивается так, как должен. Окончательные кадры гормона, связанного с рецептором, точно совпадают с предсказанными дифракцией рентгеновских лучей кристаллическими структурами, подтверждая точность моделирования. Команда представит свою работу на 61-м заседании Биофизического общества, которое состоится 11-15 февраля 2017 года в Новом Орлеане.
Исследователи смоделировали только два конкретных типа рецепторов PYL, обнаруженных в небольшом цветущем растении под названием A. thaliana. Тем не менее, сказал Шукла, их результаты широко применимы, потому что структура рецепторов PYL очень похожа у всех видов.
Для рецепторов PYL, кристаллическая структура которых известна, их связывающий карман — часть белка, связывающаяся с ABA, — такой же. Структура, окружающая карман, также похожа. Такое сходство означает, что один и тот же механизм связывания, вероятно, имеет место у всех растений.
По словам Шукла, хотя исследователи все еще могут захотеть подтвердить этот механизм на других растениях, таких как рис, чья структура рецепторов PYL известна, теперь можно начинать охоту за имитатором ABA. Исследователям придется провести тщательные компьютерные и генетические исследования, чтобы идентифицировать такое соединение. Цель состоит в том, чтобы найти соединение, которое может работать со всеми видами, не прибегая к генной инженерии.
Но, вероятно, пройдет не менее десяти лет, прежде чем какой-либо продукт появится на рынке, сказал Шукла.