Novica

Raziskovalci treh odsekov Kemijskega inštituta so, skupaj z raziskovalci z Nacionalnega inštituta za biologijo ter inštituta Ceitec v Brnu na Češkem, z uporabo krio-elektronske mikroskopije prvi določili tridimenzionalno strukturo virusa Y krompirja ter virusu podobnega delca pri visoki ločljivosti. Strukturne in funkcijske raziskave regij plaščnega proteina virusa Y krompirja so pokazale njihovo ključno vlogo pri virusni okužbi, kar lahko v prihodnje omogoči  učinkovitejše načrtovanje strategij za varstvo kulturnih rastlin.Dosežek je objavljen v prestižni reviji Science Advances.

Krompir je ena najpomembnejših poljščin na svetu, takoj za koruzo, pšenico, in rižem. Virus Y krompirja (angl. potato virus Y, na kratko virus PVY) je najpomembnejši virus krompirja. Sodi med pet ekonomsko najpomembnejših in najbolj razširjenih rastlinski virusov, saj lahko povzroči hudo škodo na pridelkih okuženih gojenih in tudi divjih rastlin.

_{Simptomi na krompirju po okužbi z virusom Y krompirja. Avtorji fotografij: arhiv NIB}

Znanstveniki po vsem svetu, vključno z našimi kolegi na Nacionalnem inštitutu za biologijo (NIB) v Ljubljani, ki so soavtorji omenjenega članka, že vrsto let poskušajo razumeti, kako virus PVY okuži in se razširi po rastlini, kakšna je njegova interakcija z rastlino, pa tudi s prenašalci – listnimi ušmi. Te raziskave so pomembne tako z znanstvenega stališča (biologija virusa) ter seveda z ekonomskega stališča (zmanjševanje količine in kakovosti pridelka). Eden zelo pomembnih, morda celo ključnih dejavnikov, ki bi nam pomagali razumeti delovanje tega virusa znotraj rastline, je poznavanje tridimenzionalne zgradbe (strukture) virusa. Zato je bil naš glavni cilj določiti tridimenzionalno strukturo virusa PVY pri čim višji ločljivosti.

V zadnjih letih je prišlo do izjemnega napredka v metodi, ki se imenuje krio-elektronska mikroskopija. To je elektronska mikroskopija pri zelo nizkih temperaturah, pribl. -195 °C. S pomočjo te metode smo določili zgradbi virusa PVY in virusu podobnega delca. Slednji se po sestavi razlikuje od virusa v tem, da ne vsebuje nukleinskih kislin (dednega zapisa virusa), ampak vsebuje samo proteinski plašč. Navzven pri nizki ločljivosti deluje podobno kot virus, zato se imenuje virusom podoben delec, oba pa tvorita dolge in tanke niti, ki so zelo gibljive.

_{Posamezni koraki pri določanjutridimenzionalne zgradbe virusa Y krompirja in virusu podobnega delca z uporabo krio-elektronske mikroskopije. Avtor fotografije: Martin Polák}

Ker smo obe strukturi določili pri visoki ločljivosti, smo prvi pokazali, da se arhitekturi virusne niti in niti virusu podobnega delca precej razlikujeta. V primeru virusa PVY se osnovni gradniki (plaščni protein) virusnega plašča nalagajo okoli virusnega genskega materiala v obliki vijačnice in to v zelo kompaktni obliki. V primeru virusom podobnih delcev pa se, zaradi odsotnosti genskega materiala virusa, osnovni gradniki plašča naložijo v obliki prstanov. Slednji, naloženi en na drugega, tvorijo dolgo nit, ki je precej manj kompaktna od virusne. S tem smo pokazali strukturno plastičnost plaščnega proteina in njegovo sposobnost prilagajanja oblike različnim okoljskim dejavnikom. Tekom življenjskega cikla virusa je to njegova zelo pomembna prednost, saj mu omogoča interakcijo z različnimi komponentami virusa, virusnimi prenašalci (listne uši) in gostiteljem (rastlino).

_{Sliki posneti z elektronskim mikroskopom prikazujeta viruseY krompirja (levo) ter virusu podobne delce (desno). V osrednjem delu sheme sta prikazana modela strukture virusa in virusu podobnega delca. Plaščni protein se v virusu sestavi okoli virusne RNA v obliki vijačnice, medtem ko v virusu podobnem delcu tvori obročke, ki sev odsotnosti RNAnalagajo eden na drugega.}

Gre za prvo slovensko ekipo znanstvenikov, ki je raziskala in objavila strukturo bioloških kompleksov s pomočjo krio-elektronske mikroskopije pri visoki ločljivosti, blizu atomske. To predstavlja  izjemen uspeh, tako za Odsek za molekularno biologijo in nanobiotehnologijo Kemijskega inštituta, kot za celoten Kemijski inštitut, pa tudi za  vso Slovenijo in bližnjo regijo. Vsekakor pa je zaradi »biološke« vsebine dosežek pomemben na svetovni ravni.

Vodja raziskave dr. Marjetka Podobnik je ob tem dosežku dejala: »Na Kemijskem inštitutu se bomo v prihodnje posvetili tudi možnostim uporabe virusom podobnih delcev v različnih aplikacijah na področju bionanotehnologije in sintezne biologije ter načrtovanju novih naprednih materialov na podlagi bioloških molekul. Rekombinantno pridobljene virusom podobne delce je namreč možno hitro spremeniti na genetskem in proteinskem nivoju, kar dopušča mnogo odprtih smeri za nadaljnjo uporabo. Uporabljeno znanje krio-elektronske mikroskopije pa bomo uporabili tudi na naših drugih raziskovalnih projektih in predvsem z uporabo našega novega krio-elektronskega mikroskopa.«

dr. Maja Ravnikar z Nacionalnega inštituta za biologijo, vodja Oddelka za biotehnologijo in sistemsko biologijo, je opisala prihodnje obete: »Na Nacionalnem inštitutu za biologijo si, od tesnega sodelovanja z raziskovalci Kemijskega inštituta, obetamo boljše poznavanje strukture in funkcije posameznih gradnikov virusov, ki nam omogoča razumevanje razvoja bolezni pri rastlinah. To je predpogoj za pripravo učinkovitih strategij za obrambo rastlin pred virusnimi boleznimi. Krio-elektronska mikroskopija, kot pomembna dopolnitev klasične transmisijske elektronske mikroskopije, nam bo omogočila tudi novo metodo za karakterizacijo različnih terapevtskih virusov za gensko zdravljenje, ki jo uporabljamo pri razvoju terapevtikov različnih visokotehnoloških podjetij, kot je na primer podjetje Avexsis Novartis. Z Avexsisom smo sodelovali pri razvoju virusne genske terapije Zolgesma®, ki jo je letos maja odobrila FDA.«

»Dosežek postavlja Kemijski inštitut ob bok mednarodno uveljavljenih raziskovalnih inštitucij. Objava v priznani mednarodni reviji Science Advances dviga ugled Kemijskega inštituta in celotne države, spodbuja motivacijo sodelavcev, ki so sodelovali pri študiji, ter odpira vrata za nadaljnji razvoj njihovih karier«, je ob dosežku povedal prof.dr. Gregor Anderluh, direktor Kemijskega inštituta, ki je pri tem dosežku sodeloval tudi kot raziskovalec in poudaril: »Poleg premikanja znanstvenih in tudi inženirskih mej, je ta raziskovalna naloga lep primer združevanja znanja znanstvenikov z različnih področij, saj je raziskava interdisciplinarna. Vsebuje različne pristope: molekularne biologije, genetike, virologije, biokemije, biofizike, analizne (bio)kemije, masne spektrometrije, teoretične kemije (molekularna dinamika) in seveda najbolj pomembno v tem primeru, strukturne biologije (specifično krio-elektronske mikroskopije).« 

»Čeprav sta ugled revije in faktor vpliva izjemno pomembna za svetovno odmevnost raziskave, je še bolj pomembno temeljno znanstveno odkritje strukture in oblike tega skrajno škodljivega patogenega virusa krompirja. Raziskovalci so kot prvi z uporabo krio-elektronske mikroskopije do največjih podrobnosti določili strukturo proteinskega plašča virusa PVY. Raziskave niso bile omejene samo na virus PVY, osredotočene so bile tudi na virusom podobne delce, ki se od virusov ločijo po tem, da ne vsebujejo nukleinske kisline, zato niso patogeni, predstavljajo pa osnovo za razvoj različnih novih biotehnološko pomembnih dostavnih sistemov na področju  bionanotehnologije, sintezne biologije in novih materialov. Članek tako združuje izjemno natančne in interdisciplinarne temeljne raziskave kot tudi biotehnološko pomembne izsledke, pomembne za  nadaljnji razvoj«, je dosežek komentirala prof. dr. Nina Gunde - Cimerman z Biotehniške fakultete Univerze v Ljubljani.

Prof. dr. Nenad Ban z Institute of Molecular Biology and Biophysics, ETH Zürich, v Švici, pa je ob dosežku dejal: »Res sem izjemno užival ob branju tega članka, še posebej zato, ker predstavlja velik doprinos k razumevanju biologije tako pomembnega rastlinskega virusa. Poleg tega bodo ti rezultati tudi pomembna osnova za uporabo rastlinskih virusov in virusom podobnih delcev v biotehnologiji. Raziskovalci so v tej raziskavi uporabili širok nabor komplementarnih metodoloških pristopov, ki so privedli do teh odličnih rezultatov. Pomembno je omeniti, da so v  tej raziskavi pokazali dve novi krio-elektronski strukturi bioloških kompleksov, kar je velik dosežek za področje strukturne biologije. Namreč, dolge nitaste in gibljive strukture na splošno predstavljajo za strukturno biologijo še poseben izziv. Še posebej sem vesel, da so krio-elektronsko mikroskopijo začeli uporabljati tudi raziskovalci v Sloveniji in obenem tudi vzpostavljati svojo lastno tovrstno infrastrukturo, saj krioelektronska mikroskopija predstavlja enega največjih napredkov v strukturni biologiji na svetovni ravni. Članek Kežarjeve in sodelavcev izgleda kot odlična napoved za prihodnje uspehe raziskovalcev, ki delujejo v Sloveniji.«

_{Novo znanje o strukturi virusa Y krompirja in virusu podobnega delca nam bo pomagalo pri nadaljnjih raziskavah mehanizma okužbe virusater uporabi teh delcev v nanotehnoloških aplikacijah kot so dostava molekul, priprava cepiv, biosenzorjev innanoreaktorjev ter načrtovanju novih materialov in nanonaprav v elektrotehniki.}

Pri raziskavi je sicer sodelovalo 15 znanstvenikov s treh inštitucij iz Slovenije in Češke. Raziskava je potekala pod vodstvom dr. Marjetke Podobnik z Odseka za molekularno biologijo in nanobiotehnologijo na Kemijskem inštitutu, kjer je bila opravljena večina dela. S tega odseka so sodelovali še Andreja Kežar, ki je prva avtorica članka in je opravila največji delež raziskav, doktorski študent Luka Kavčič in dr. Gregor Anderluh. S Kemijskega inštituta so sodelovali še dr. David Pahovnik in dr. Ema Žagarz Odseka za polimerno kemijo in tehnologijo ter dr. Franci Merzel s Teoretičnega odseka. Z Nacionalnega inštituta za biologijo, Oddelek za biotehnologijo in sistemsko biologijo, so sodelovali dr. Ion Gutiérrez-Aguirre, dr. Magda Tušek Žnidarič, dr. Anna Coll, Katja Stare, dr. Kristina Gruden in dr. Maja Ravnikar. V študiji sta sodelovala tudi raziskovalca z inštituta Ceitec (Central European institute of technology) v Brnu, Češka, dr. Jiří Nováček in doktorski študent Martin Polák, saj smo takrat še uporabljali njihov krio-elektronski mikroskop.

Več informacij o dosežku najdete v dokumentu > Vprašanja in odgovori

Povezava na objavo članka v reviji Science Advances: advances.sciencemag.org/content/5/7/eaaw3808

DOI: 10.1126/sciadv.aaw3808