Các nhà nghiên cứu phát hiện ra vai trò quan trọng của enzyme OpgD trong việc tăng cường khả năng gây bệnh của Xanthomonas.

Bệnh hại thực vật đặt ra những thách thức đáng kể đối với năng suất nông nghiệp, tạo ra những rào cản to lớn đòi hỏi phải được quan tâm khẩn cấp. Nếu không được kiểm soát, những bệnh hại này có thể lây lan nhanh chóng, gây ra thiệt hại trên diện rộng cho cây trồng và dẫn đến giảm năng suất và thiệt hại kinh tế đáng kể. Do đó, việc xác định chính xác các tác nhân gây bệnh này là rất quan trọng. Việc xác định này cho phép can thiệp có mục tiêu để giảm thiểu rủi ro và giảm thiểu hiệu quả các tác động đến nông nghiệp.

Các loài Xanthomonas là tác nhân gây bệnh thực vật nổi tiếng ảnh hưởng đến nhiều loại vật chủ, bao gồm các loại cây trồng chính như lúa, lúa mì và cà chua. Các tác nhân gây bệnh này tăng cường khả năng gây bệnh của chúng bằng cách sử dụng α-1,6-cyclicized β-1,2-glucohexadecaose (CβG16α) để ngăn chặn các cơ chế phòng vệ thiết yếu của thực vật, chẳng hạn như biểu hiện của các protein liên quan đến sinh bệnh và tích tụ callose.

Trong một đột phá gần đây được công bố vào ngày 19 tháng 6 năm 2024, trên tạp chí The American Chemical Society, một nhóm các nhà nghiên cứu do phó giáo sư Masahiro Nakajima từ Đại học Khoa học Tokyo dẫn đầu đã công bố một khám phá quan trọng. Họ đã xác định được XccOpgD, một glycoside hydrolase (GH186) được tìm thấy trong X. campestris pv campestris đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp sinh học của CβG16α. Nhóm nghiên cứu cũng bao gồm ông Sei Motouchi từ Đại học Khoa học Tokyo, nhà khoa học chính Shiro Komba từ Viện Nghiên cứu Thực phẩm, NARO và Hiroyuki Nakai từ Đại học Niigata.

"Cấu trúc glycan phức tạp và đa dạng, đóng nhiều vai trò quan trọng trong tự nhiên và sinh vật. Các enzyme tổng hợp và phân hủy glycan, thể hiện nhiều cấu trúc và chức năng khác nhau tương ứng với sự đa dạng của glycan. Tuy nhiên, hiểu biết của chúng ta về các enzyme này vẫn còn hạn chế, điều này thúc đẩy việc tìm kiếm các enzyme mới với nhiều tiềm năng mới khác nhau", Giáo sư Nakajima giải thích, trình bày chi tiết về cơ sở lý luận của nghiên cứu.

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành phân tích sinh hóa để làm sáng tỏ vai trò của XccOpgD trong quá trình tổng hợp CβG16α. Các kỹ thuật tiên tiến như tinh thể học tia X được sử dụng làm phân tích cấu trúc để làm sáng tỏ cơ chế xúc tác và tính đặc hiệu của chất nền của enzyme.

Những nỗ lực này đã mang lại những hiểu biết sâu sắc. XccOpgD thuộc họ GH186, cần thiết để điều chỉnh các thành phần của thành tế bào vi khuẩn. Không giống như các enzyme GH186 đầu tiên được xác định, XccOpgD thể hiện một cơ chế enzyme chưa từng có được gọi là chuyển hóa glycosyl hóa đảo ngược anome.

Chuyển đổi β-1,2-glucan tuyến tính thành hợp chất vòng. Các nhà khoa học đã xác định hợp chất vòng là CβG16α. Nguồn: Masahiro Nakajima từ Đại học Khoa học Tokyo.

"Phản ứng của các enzyme GH điển hình được phân loại thành bốn loại theo sự kết hợp giữa giữ lại hoặc đảo ngược và phản ứng với nước (thủy phân) hoặc đường (chuyển glycosyl hóa) về mặt lý thuyết. Tuy nhiên, một phân loại bị thiếu trong lịch sử nghiên cứu lâu dài về các enzyme liên quan đến carbohydrate và chúng tôi đã phát hiện ra phân loại bị thiếu đó. Bước đột phá này có thể thực hiện được nhờ môi trường cấu trúc độc đáo, mở ra những khả năng mới cho quá trình glycosyl hóa dựa trên enzyme", giáo sư Nakajima giải thích. Hơn nữa, các chuỗi đường được tổng hợp thông qua cơ chế này không chỉ là các thành phần phụ mà còn là các cấu trúc thiết yếu được nhiều loại vi khuẩn Gram âm trong tự nhiên sử dụng cho mục đích gây bệnh.

Các nghiên cứu cho thấy β-1,2-glucan tuyến tính đã được chuyển đổi thành hợp chất vòng và hợp chất được xác định là CβG16α bằng cách sử dụng cộng hưởng từ hạt nhân. Phân tích cấu trúc của phức hợp Michaelis đã xác định được các gốc liên kết cơ chất quan trọng, làm sáng tỏ thêm các tương tác cụ thể dọc theo chuỗi glucan. Đáng chú ý, XccOpgD sử dụng cơ chế chuyển hóa glycosyl hóa đảo ngược anome, với D379 và D291 đóng vai trò quan trọng như chất xúc tác.

Tiết lộ XccOpgD: Nhân tố chính trong phòng bệnh thực vật. Các nhà khoa học khám phá vai trò của XccOpgD trong việc tăng cường khả năng gây bệnh của Xanthomonas. Nguồn: Masahiro Nakajima từ Đại học Khoa học Tokyo.

Những phát hiện này giúp chúng ta hiểu sâu hơn và mở ra những hướng đi để phát triển các chiến lược có mục tiêu chống lại các bệnh thực vật do Xanthomonas gây ra. "Chúng tôi đang mong đợi một khái niệm thuốc trừ sâu nhắm vào đồng đẳng enzyme này trong tương lai. Không giống như thuốc diệt nấm thúc đẩy sự xuất hiện của vi khuẩn kháng thuốc trong đất, việc nhắm vào enzyme này có khả năng ức chế khả năng gây bệnh mà không gây ra tình trạng vô trùng. Đồng đẳng enzyme được xác định trong nghiên cứu này có thể đóng vai trò là mục tiêu thuốc dựa trên cấu trúc đầy hứa hẹn, cung cấp một giải pháp tiềm năng cho vấn đề vi khuẩn kháng thuốc", giáo sư Nakajima đầy hy vọng cho biết.

Việc phát hiện ra XccOpgD và vai trò của nó trong quá trình tổng hợp sinh học CβG16α đánh dấu một bước đột phá lớn trong nông nghiệp. Nó hứa hẹn khả năng phục hồi và an ninh lương thực được tăng cường trong khi giảm thiểu tác động môi trường liên quan đến thuốc trừ sâu thông thường. Nhìn chung, tiến bộ này cung cấp các giải pháp bền vững cho các thách thức nông nghiệp toàn cầu, thúc đẩy quản lý môi trường và khả năng kinh tế cho nông dân trên toàn thế giới.

Đỗ Thị Nhạn theo Đại học Khoa học Tokyo.