Saponiny – ekologiczne pestycydy
Rośliny i owady nawiązują interakcje od milionów lat. Te pierwsze wykształcają przy tym specjalistyczne mechanizmy obronne chroniące przed żywiącymi się nimi insektami. Takimi właśnie związkami obronnymi są saponiny. Mają one właściwości podobne do detergentów, mogą naruszać błony komórkowe owadów roślinożernych, powodując śmierć komórek. Pomimo obiecującego potencjału saponin jako biopestycydów niewiele wiadomo na temat tego, dlaczego te struktury chemiczne działają toksycznie na określone owady. Sfinansowany ze środków UE w ramach stypendium indywidualnego programu Maria Skłodowska-Curie grant SSAR objaśnia powiązanie pomiędzy strukturą chemiczną saponin a ich biologiczną aktywnością. „Chcieliśmy ustalić najsilniej działające struktury chemiczne saponin, które mogą zostać wykorzystane jako biopestycydy”, wyjaśnia koordynator projektu, prof. Søren Bak. Wgląd w biosyntetyczny mechanizm działania saponin Badacze z projektu SSAR rozpoczęli swe działania od wykorzystania dzikiego gorczycznika pospolitego jako modelowego organizmu powszechnie stosowanego w badaniach nad ewolucją roślinnych związków obronnych i ich ekologicznym charakterem. Wybrali grupę genów-kandydatów, by ustalić, które z nich biorą udział w biosyntetycznym działaniu saponin. Korzystając z najnowocześniejszej metodologii, takiej jak odtworzenie mechanizmu działania w liściach tytoniu, enzymatyczna produkcja in vitro oraz testy powiązane z żywieniem owadów, naukowcy odkryli, że cytochrom ortolog CYP72A powoduje dużą śmiertelność wśród larw. Badacze zaobserwowali, że CYP72A modyfikują saponiny w określonym położeniu, co wskazuje na to, że prosta modyfikacja struktury może w dużym stopniu wzmocnić działanie saponin. Co ciekawe, analiza sekwencji wykazała, że to konkretne CYP72A wyewoluowało poprzez duplikację genów po rozdzieleniu się w przeszłości gatunków rzodkiewnik pospolity i gorczycznik pospolity. Presja związana z selekcją była w jego przypadku silna. Odkrycie to podkreśla znaczenie modyfikacji chemicznej w ewolucji mechanizmów obronnych roślin. Jak zaznacza dr Qing Liu, wiodący badacz projektu: „Wykazuje ono, że ewolucja chemicznych nowości w formie duplikacji i selekcji genów jest kluczowym czynnikiem wpływającym na przydzielanie enzymom nowych funkcji”. Badacze skutecznie wytworzyli saponiny w tytoniu, roślinie, która naturalnie ich nie produkuje. Posłużyli się inżynierią metaboliczną zidentyfikowanych genów gorczycznika i ocenili działanie biologiczne uzyskanych saponin. Na koniec, wykorzystując biotesty żywieniowe oraz szereg gatunków owadów roślinożernych, skutecznie odkodowali fragment relacji struktura-działanie w saponinach, identyfikując mechanizm ochrony przed owadami. „W ramach projektu SSAR wdrożyliśmy szybki i sprawnie działający system ustalania relacji struktura-działanie, wykorzystując przejściową ekspresję genów biosyntetycznych w liściach tytoniu do produkcji związku, a następnie testując ten związek podczas żywienia owadów”, podkreśla prof. Bak. Podejście to jest bardziej fizjologicznie istotne, jako że testowane związki są wytwarzane i przechowywane w liściach, nie zaś umieszczane na powierzchniach liści. Jest też szybsze, jako że wykorzystuje ekspresję przejściową związków. W porównaniu ze żmudną tradycyjną oceną z wykorzystaniem stabilnie przekształconych roślin taki system przejściowy wymaga mniej niż tygodnia od wszczepienia genów do biotestów na owadach. Znaczenie wykorzystania saponin jako biopestycydów W projekcie SSAR uzyskano nowe informacje na temat biopestycydów na bazie saponin, dla których znaleźć można liczne zastosowania w przemyśle. Uzyskana platforma do produkcji bioaktywnych związków na bazie roślin może być powszechnie stosowana do znajdowania nowych biopestycydów, które można wykorzystać jako alternatywę dla istniejących związków agrochemicznych. Z naukowego punktu widzenia ustalenie genów biorących udział w biosyntetycznym mechanizmie działania saponin otworzy też drogę do tworzenia i uprawiania roślin o dostosowanych do potrzeb możliwościach obrony przed szkodnikami bazujących na saponinach. Wyniki projektu SSAR zostaną wkrótce opublikowane w czasopiśmie naukowym. Istnieje nadzieja, że zaowocują dalszym dofinansowaniem badań. Jeśli chodzi o przyszłość, prof. Bak uważa, że: „ciągłe odkrywanie nowatorskich biopestycydów pomoże zaspokoić potrzeby społeczeństwa w zakresie bardziej zrównoważonej produkcji żywności oraz wesprzeć biogospodarkę”.
Słowa kluczowe
SSAR, saponiny, biopestycyd, CYP72A, relacja struktura-działanie, testy karmienia, gorczycznik pospolity, odtworzenie mechanizmu działania
