Wrocławscy naukowcy sprawdzą jak rośliny wytwarzają toksyny

Rośliny produkują substancje chemiczne, dzięki którym potrafią skutecznie bronić się przed szkodliwymi wpływami środowiska. Nie wiadomo jednak, jaki jest mechanizm takiej produkcji. Co powoduje, że roślina wytwarza toksyczne białka i saponiny, od czego zależą ich proporcje i jak dokładnie działa ten podwójny zabójczy układ. To pytania, na które ma odpowiedzieć badanie trwające w Katedrze Biologii i Biotechnologii Farmaceutycznej Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu.

Na czym polega projekt?

Na stronie internetowej wrocławskiej uczelni medycznej poinformowano, że realizowany jest projekt pt. „Regulacja synergistycznej toksyczności roślinnych saponin triterpenowych i białek inaktywujących rybosom”, który jest finansowany przez NCN w kwocie blisko miliona złotych.

Realizuje go zespół prof. Adama Matkowskiego, kierownika Katedry Biologii i Biotechnologii Farmaceutycznej UMW. Badanie zaplanowano na trzy lata. Jest to część międzynarodowego projektu badawczego prowadzonego wspólnie z Zakładem Biologii Farmaceutycznej Freie Universitaet Berlin kierowanym przez prof. Aleksandra Wenga. Wrocławska część ma charakter czysto eksperymentalny. Rezultaty badań naukowców z UMW posłużą ośrodkowi z Niemiec jako baza do sprawdzenia potencjalnych efektów terapeutycznych.

Rośliny zagrożone atakiem innych organizmów nie mogą uciec ani zmienić miejsca pobytu, gdy znajdą się w niesprzyjających warunkach środowiska. Muszą więc bronić się biernie. Przeciwko roślinożercom, pasożytom czy chorobotwórczym mikroorganizmom mogą chronić się barierami fizycznymi: cierniami, zgrubiałą korą, kutykulą, żywicami itd. Jednak najinteligentniejszą bronią, rozwiniętą w ciągu tysięcy lat koewolucji, są roślinne substancje chemiczne, które czynią ciało rośliny (lub jego części) trującym, niesmacznym, niestrawnym lub odstręczającym

– powiedział cytowany na stronie internetowej prof. dr hab. Adam Matkowski.

Jakie wybrano rośliny?

Dodał, że rośliny lecznicze zostały wybrane przez człowieka z natury jako wykazujące silniejsze od innych działanie fizjologiczne na organizm. One właśnie często produkują wyrafinowane mieszanki substancji, działających na różnorakie mechanizmy w innych organizmach.

Naukowcy UMW tym razem przyglądają się dwóm pospolitym roślinom: Gypsophila elegans (łyszczec nadobny, gipsówka letnia – znana np. jako dodatek do bukietów) i Agrostemma githago (kąkol, niegdyś pospolity chwast, dzisiaj roślina zagrożona, ale również ozdobna). Obie należą do rodziny goździkowatych, która pod względem obrony chemicznej jest w świecie roślin wyjątkowa.

Stwierdzono bowiem, że wytwarzane przez goździkowate zabójcze mieszanki zawierają z jednej strony drobnocząsteczkowe substancje zwane saponinami (naturalne detergenty), a z drugiej strony rzadkie i specyficzne białka toksyczne, tzw. białka inaktywujące rybosom (ang. ribosome-inactivating proteins – RIP), zdolne do zabicia komórek innych organizmów poprzez uszkodzenie maszynerii produkcji białek. W ten sposób mogą zabić każdą komórkę

– czytamy w komunikacie.

/zdjęcie ilustracyjne/pixabay/gipsówka letnia

Saponiny obejmują tysiące bardzo zróżnicowanych, a jednocześnie podobnych strukturalnie substancji. Wytwarza je wiele grup roślin. W farmacji wykorzystuje się saponiny jako środki wykrztuśne oraz jako adjuwanty, np. w szczepionkach. Natomiast w tandemie z RIP odkryto je w dużych ilościach tylko w goździkowatych.

Działając synergistycznie z RIP, saponiny tworzą tzw. dwuskładnikowy układ toksyczny (ang. toxic two-component system – TTS). Ta „współpraca” powoduje wzmocnienie działania toksycznego RIP w stosunku do roślinożernych zwierząt oraz prawdopodobnie także mikroorganizmów. Jest to wyspecjalizowana broń defensywna roślin spokrewnionych z goździkami, która może odgrywać rolę również w ich właściwościach leczniczych – w myśl zasady, że to, co truje, może też leczyć. Jednak bardzo niewiele wiadomo o koordynacji produkcji tych dwóch składowych TTS w żywej roślinie. Nie wiemy, co powoduje, że te białka pojawiają się w roślinie w takich czy innych proporcjach. Do badań wybraliśmy dwie ciekawe rośliny: łatwą w uprawie i zawierającą duże ilości dobrze poznanych saponin i RIP gipsówkę letnią oraz mniej poznany kąkol, w którym ostatnio odkryto nowy typ białek RIP

– wyjaśnił prof. Matkowski.

Czego dowiemy się dzięki badaniom?

Projekt pod akronimem RIP-SAPO zakłada zastosowanie metod biotechnologicznych. Badacze zajmą się dokładnym profilowaniem białek, ekspresji genów. A także identyfikacją tych substancji, które w największym stopniu odpowiadają za specyficzne właściwości roślin. Rośliny i ich części muszą być hodowane w laboratorium przy ścisłej kontroli warunków środowiska. To konieczne, by ograniczyć wpływ niekontrolowanych czynników, czego w naturze nie dałoby się uniknąć.

Jednocześnie hodowanym komórkom zostaną zaaplikowane różne substancje o działaniu stymulującym na komórki roślinne. Mogą to na przykład być obumarłe fragmenty ścian komórkowych bakterii i grzybów. A także cząsteczki sygnałowe używane przez komórki roślinne do zaalarmowania organizmu o ataku patogenów (np. kwas salicylowy, tlenek azotu czy nadtlenek wodoru). A wszystko po to, żeby zweryfikować hipotezę o spodziewanym podwyższeniu lub zmianie kompozycji składowych TTS.

Naukowcy chcą przetestować wpływ tych czynników zarówno na komórki swobodnie rosnące w pożywkach, jak i na hodowane organy rośliny: korzenie i pędy. Na tej podstawie badacze opracują system hodowli w laboratorium, w którym będzie można ukierunkować produkcję wybranych składników pod wpływem określonych czynników.

W ten sposób dowiemy się, jakie wpływy zewnętrzne powodują u rośliny powstawanie skomplikowanych mieszanin substancji obronnych. Będzie to ważne także dla rozwoju udoskonalonych terapii, jak również dla poprawy odporności naturalnej roślin uprawnych

– podkreślił prof. Matkowski.