در خاک‌های حاصلخیز مزرعه، باکتری‌های گال استرپتومایسس با استفاده از مواد شیمیایی مربوط به مواد منفجره و آفت‌کش‌ها با سیب‌زمینی‌ها جنگ می‌کنند.
اما یک اسپویلر میکروبی یکی از سموم S. scabies را خنثی می کند. محققان مؤسسه فناوری جورجیا به بینش جدیدی در مورد مکانیزم منحصر به فردی دست یافته اند که می تواند روزی به توسعه عوامل جدید برای تخریب آلاینده های سخت و کمک به نجات بیشتر یک محصول رایج کمک کند.
هنگامی که استرپتومایسس گال سیب زمینی را آلوده می کند، سمی به نام تاکستومین از آن خارج می شود که سیب زمینی را با دلمه های تیره آشنا معما می کند.شاید برای متخصص سیب زمینی که آنها را با چاقوی خرد کن از بین می برد، یک چیز بی اهمیت باشد، اما این ایرادات باعث کاهش تولید کشاورزی در مقیاس جهانی می شود.
حرکات بی سابقه
دانشمندان در حال بررسی خاک سیب زمینی باکتری هایی از گونه Bradyrhizobium sp را یافته اند. تداخل در حال اجرا JS329. اگرچه آنزیم‌های سخت آنها تاکستومین‌ها را تجزیه نمی‌کنند، اما ترشح سمی دیگر S. scabies به نام 5-nitroanthranilic acid (5-NAA) را بی‌ضرر می‌کنند.
یک آنزیم به طور خاص از ترفندهای شیمیایی به ظاهر بی سابقه و دیدنی برای پاره کردن ساختار شیمیایی آهنین 5-NAA استفاده می کند.
محققان آنها را کشف کردند و نتایج را در مجله Nature Chemical Biology منتشر کردند. این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم، Pew Charitable Trusts، کارآموزی جورجیا برای معلمان، و وزارت انرژی ایالات متحده تامین مالی شد.
جنگ شیمیایی
S. باکتری های گال استاد جنگ شیمیایی هستند و نه فقط علیه سیب زمینی.
راکل لیبرمن، محقق ارشد، دانشیار دانشکده شیمی و بیوشیمی جورجیا تک، گفت: "این خانواده از باکتری ها به دلیل توانایی در سنتز تعداد زیادی مولکول مختلف، از جمله مولکول هایی که انسان به عنوان آنتی بیوتیک استفاده می کند، شناخته شده است."
"آنها در کشتن موجودات دیگر خوب هستند،" او گفت. اگرچه تاکستومین‌هایی که آنها ترشح می‌کنند به‌خاطر لکه‌کردن سیب‌زمینی معروف هستند، اطلاعات کمی در مورد سم 5NAA وجود دارد.
با این حال، درک چگونگی تجزیه آن می تواند برای کشاورزی مفید باشد. لیبرمن گفت: "مولکول 5NAA به اندازه کافی شبیه تاکستومین است که مطالعه تجزیه آن ممکن است الهام بخش کارهای آینده برای مهندسی یک آنزیم یا باکتری یا حتی خود گیاه برای سم زدایی تاکستومین باشد."
کونگ فو آنزیمی
5NAA مشابه خود را در باکتری Bradyrhizobium sp پیدا کرده است. JS329 که به اختصار آن را «برادی» می نامیم.
"Brady" آنزیم هایی تولید می کند که می توانند با 5NAA مبارزه کنند که اولین آن 5NAA-A نام دارد. "A" اضافه شده پس از خط تیره مخفف "aminohydrolase" است، اصطلاحی که به این معنی است که از آب برای تغییر بخشی از سم 5NAA استفاده می کند.
"واکنش جایگزینی" که آنزیم 5NAA-A انجام می دهد در سنتز آلی رایج است، اما در موجودات زنده بسیار نادر است. لیبرمن گفت: «تنها یک آنزیم شناخته شده دیگر وجود دارد که تأیید شده است که از این مکانیسم شیمیایی خاص استفاده می کند.»
تیم لیبرمن، که در ساخت کریستال های پروتئینی آنزیم هایی مانند 5NAA-A تخصص دارند، لحظه واکنش متعاقب آن را مشاهده کردند. او گفت: «ما توانستیم مرحله حیاتی (هیدرولیز) در کریستال را برای این مقاله ثبت کنیم.
"لیبرمن گفت: "این واکنش شیمیایی را انجام می دهد." 5NAA-A به دو روش واقعاً عجیب، مانند حرکات عجیب کونگ فو، به از بین بردن سم 5NAA کمک می کند.
شکستن بازوی اشتباه
Toxin 5NAA با یک سلاح مرگبار وارد باکتری "برادی" می شود. یک گروه نیترو یا NO2 بخشی از ساختار آن است که 5NAA را به یک ترکیب نیتروآروماتیک تبدیل می کند.
لیبرمن گفت: «در اصل، همه این نیتروآروماتیک ها یا مواد منفجره یا سمی هستند. "TNT تفاوت چندانی با این ترکیب ندارد."
بسیاری از باکتری ها آنزیم هایی را برای مقابله با نیتروآروماتیک های مصنوعی - آلاینده هایی مانند رنگ ها، آفت کش ها یا مواد منفجره که در محیط اطراف ما ریخته شده اند، ساخته اند. آنزیم ها تمایل دارند از همان استراتژی استفاده کنند. لیبرمن گفت: «گروه‌های نیترو معمولاً اولین هدف هر آنزیم تجزیه‌کننده هستند، زیرا بسیار سمی هستند.»
برای آنزیم 5NAA-A اینطور نیست.
به دنبال گروه دیگری روی مولکول سمی، آمین می رود که بی ضرر است. این کمی شبیه به یک استاد کونگ فو است که بازوی مقابل دستی که سلاح دارد می شکند. اما کار می کند.
با هیدرولیز آمین، آنزیم 5NAA-A سموم 5NAA را برای تخریب توسط آنزیم های دیگر تنظیم می کند. لیبرمن گفت: "این واقعیت که بدون حذف نیترو این کار را انجام می دهد، بخش عجیبی است. این یک حرکت غیرمنتظره است".
خودکشی کریپتونیت
سپس چیزهای عجیب و غریبی در اطراف فلز وجود دارد.
5NAA-A یک متالوپروتئاز است، آنزیمی که برای انجام کار خود به یون فلزی نیاز دارد. اما بر خلاف سایر متالوپروتئازها، یکی از متالوپروتئازها در آن تعبیه نشده است. این می تواند با یکی از چهار فلز مختلف کار کند، اما به نظر می رسد 5NAA-A نمی تواند فلز را به تنهایی پیدا کند.
لیبرمن گفت: "برای آوردن آن به مهمانی به 5NAA متکی است."
به عبارت دیگر، به نظر می رسد سم 5NAA یک یون فلزی را به سمت آنزیم 5NAA-A می کشد، که سپس آن را می برد و از آن برای از بین بردن سم استفاده می کند. مثل این است که سوپرمن کریپتونیت را به یک دشمن بزرگ می دهد.
لیبرمن گفت: «حداقل این چیزی است که ما فکر می کنیم در حال رخ دادن است. "ما جزئیات را بیشتر بررسی خواهیم کرد."
استاد انفرادی
مجموع راه‌های عجیب و غریب 5NAA-A، تیم لیبرمن را بر آن داشت تا پایگاه داده ژنوم عظیمی را برای مطابقت با توالی ژنی که می‌تواند آنزیمی مانند 5NAA-A تولید کند، بررسی کند. آنها تنها یک نمونه شناخته شده دیگر روی زمین پیدا کردند.
لیبرمن گفت: "این توالی ژن آنزیمی از رسوبات پارک ملی یلوستون می آید." هنوز تایید نشده است که باکتری های موجود در آن واقعاً 5NAA را سم زدایی می کنند، اگرچه احتمال دارد.
حتی اگر این اتفاق بیفتد، آنزیم 5NAA-A به‌طور غیرمعمول نادر باقی می‌ماند، با توجه به وجود میکروب‌های بی‌شمار روی زمین که تعداد بیشتری از آنزیم‌ها را تولید می‌کنند. لیبرمن گفت: "این واقعیت که ممکن است فقط یکی دیگر وجود داشته باشد، گیج کننده است."
محققان دبیرستان
در موارد نادر دیگری، معلم علوم دبیرستان یکی از نویسندگان مقاله تحقیقاتی است. کیسی بتل، که به عنوان معلم سال جورجیا برای سال 2017 انتخاب شد، به سایر محققان کمک کرد تا از سدی که مانع پیشرفت می‌شد عبور کنند.
"ما از به اصطلاح برچسب ها برای شناسایی آنزیمی که به آن علاقه مندیم هنگام برداشت آن استفاده می کنیم. ما مشکوک بودیم که برچسب ها در فرآیند تبلور دخالت می کنند." بنابراین، او پروتئین ها را با برچسب های قابل جابجایی شبیه سازی کرد، که به طور قابل توجهی به پیشرفت پروژه کمک کرد.
Bethel در برنامه اصلی K-12 جورجیا Tech، CEISMC شرکت می کند، که، از جمله موارد دیگر، آموزش STEM را در میان جمعیت های محروم در مدارس دولتی جورجیا تقویت می کند. و برای سه سال، CEISMC به او کمک کرده تا مهارت های تدریس خود را بهبود بخشد.
بتل همچنین دانش آموزان دبیرستانی را برای کار در آزمایشگاه لیبرمن با خود آورده است. او هیجان زده است که او - و آنها - می تواند بخشی از مطالعه باشد. "فوق العاده! غیرقابل تصور! چه کسی فکر می کند که یک معلم دبیرستان در مجله Nature چاپ شود؟" بتل گفت.
از زمان شروع فعالیت جورجیا تک، Bethel دیده است که حداقل 60 نفر از دانشجویان سابق خود مطالعات و مشاغل STEM را انتخاب کرده اند. وی گفت: «در حالی که قبلاً این رقم نزدیک به صفر بود. "این غیر قابل توصیف است. مهم، باشکوه و تاثیرگذار است. من هرگز نمی توانم تاثیر را اندازه گیری کنم."
