De nombreuses bactéries qui ravagent les cultures et menacent notre approvisionnement alimentaire utilisent une stratégie commune pour provoquer des maladies : elles injectent des combinaisons de protéines nocives directement dans les cellules végétales. Depuis 25 ans, le biologiste Shengyang He et son associé de recherche principal Shinya Nomura étudient l'ensemble des molécules que les agents pathogènes des plantes utilisent pour provoquer des maladies dans des centaines de cultures à travers le monde, du riz aux vergers de pommiers.
Aujourd'hui, trois groupes de recherche collaboratifs ont enfin trouvé des réponses à la manière dont ces molécules rendent les plantes malades, ainsi que des moyens de les annuler.
Les résultats de recherche pertinents ont été publiés dans la revue Nature le 13 septembre.
Les chercheurs du laboratoire étudient les ingrédients clés de ce cocktail mortel, une famille de protéines injectées appelées AvrE/DspE, qui provoquent des maladies allant de la tache brune des haricots à la tache bactérienne des tomates en passant par le feu bactérien des arbres fruitiers.
Depuis sa découverte au début des années 1990, les chercheurs qui étudient les maladies des plantes s'intéressent de près à cette famille de protéines. Ce sont des armes clés dans les arsenaux bactériens ; leur élimination en laboratoire peut rendre inoffensives des bactéries autrement dangereuses. Mais malgré des décennies d’efforts, de nombreuses questions sur leur fonctionnement restent sans réponse.
Les chercheurs ont découvert que de nombreuses protéines de la famille AvrE/DspE peuvent supprimer le système immunitaire d'une plante ou former des taches noires imbibées d'eau sur les feuilles des plantes - le premier signe d'infection. Ils connaissent même la séquence de base des acides aminés, qui s’assemblent comme des perles sur un fil pour former des protéines. Mais ils ne savaient pas comment la chaîne d’acides aminés se repliait pour prendre sa forme tridimensionnelle, ils ne pouvaient donc pas facilement expliquer leur fonctionnement.
Une partie du problème réside dans le fait que les protéines de cette famille sont très volumineuses. Les protéines bactériennes générales ne peuvent contenir que 300 acides aminés, tandis que les protéines de la famille AvrE/DspE en contiennent 2 000.
Les chercheurs ont recherché d’autres protéines ayant des séquences similaires pour trouver des indices, mais n’en ont trouvé aucune ayant une fonction connue.
"Ce sont des protéines étranges", a-t-il déclaré. Ils se sont donc tournés vers un programme informatique appelé AlphaFold2, sorti en 2021, qui utilise l’intelligence artificielle pour prédire la forme tridimensionnelle d’une chaîne donnée d’acides aminés.
Les chercheurs savent que certains membres de cette famille aident les bactéries à se cacher du système immunitaire de la plante. Mais lorsqu’ils ont vu pour la première fois la structure tridimensionnelle de la protéine, ils ont découvert un autre rôle.
"Quand nous avons vu ce modèle pour la première fois, il était complètement différent de ce que nous avions imaginé", a déclaré Pei Zhou, co-auteur de l'étude et professeur de biochimie à l'Université Duke.
Les chercheurs ont étudié les prédictions de l’IA sur les protéines bactériennes qui infectent les cultures telles que les poires, les pommes, les tomates et le maïs et ont découvert qu’elles avaient toutes des structures tridimensionnelles similaires. Ils semblent se replier en un petit champignon avec une tige cylindrique, comme une paille.
La forme prévue correspondait étroitement aux images capturées par cryomicroscopie électronique de la protéine bactérienne responsable du feu bactérien sur les arbres fruitiers. Vue de haut en bas, la protéine ressemble beaucoup à un tube creux.
Cela a amené les chercheurs à réfléchir : peut-être que les bactéries utilisent ces protéines pour percer des trous dans les membranes des cellules végétales et « forcer l'hôte à boire de l'eau » pendant le processus d'infection.
Lorsque les bactéries pénètrent dans une feuille, l’une des premières zones avec lesquelles elles entrent en contact est l’espace entre les cellules, appelé cytoplasme. Normalement, les plantes gardent cette zone sèche pour permettre les échanges gazeux nécessaires à la photosynthèse. Mais lorsque les bactéries envahissent, l’eau s’accumule à l’intérieur des feuilles, créant un paradis humide et confortable où elles peuvent se nourrir et se reproduire.
Une étude plus approfondie du modèle tridimensionnel prévu de la protéine du feu bactérien a révélé que si l'extérieur de la structure en forme de paille est résistant à l'eau, son noyau creux a une affinité particulière pour l'eau.
Pour tester l’hypothèse du canal d’eau, l’équipe de recherche a collaboré avec le professeur de biologie Dong Ke de l’Université Duke et son postdoctorant en laboratoire et co-premier auteur Felipe Andreazza. Ils ont ajouté des lectures génétiques des protéines bactériennes AvrE et DspE aux œufs de grenouille, en utilisant les œufs comme usines cellulaires pour fabriquer ces protéines. Placez les œufs de grenouille dans une solution saline diluée. Trop d'eau fera gonfler les œufs rapidement et se rompre.
Les chercheurs ont également tenté de débloquer ces protéines bactériennes en bloquant leurs canaux. Nomura s'est concentré sur un type de minuscules nanoparticules sphériques appelées dendrimères PAMAM. De tels dendrimères sont utilisés dans l’administration de médicaments depuis plus de deux décennies et peuvent être transformés en particules de diamètres précis en laboratoire.
"Notre hypothèse était que si nous trouvions des produits chimiques ayant le bon diamètre, nous pourrions peut-être boucher les pores", a-t-il déclaré.
Après avoir testé des particules de différentes tailles, ils en ont trouvé une qui, selon eux, était juste de la bonne taille pour bloquer les aquaporines produites par l'agent pathogène du feu bactérien Erwiniaamylovora.
Ils ont pris des œufs de grenouille capables de synthétiser cette protéine et les ont arrosés avec des nanoparticules de PAMAM, afin que l'eau ne coule plus dans les œufs de grenouille. Ils ne gonflent pas.
Ils ont également traité des plantes d'Arabidopsis infectées par le pathogène Pseudomonas syringae, qui provoque des taches bactériennes. Les nanoparticules bloquant les canaux ont stoppé la croissance bactérienne, réduisant ainsi les concentrations d'agents pathogènes dans les feuilles des plantes jusqu'à 100 fois.
Ces composés sont également efficaces contre d’autres infections bactériennes. Les chercheurs ont réalisé la même expérience sur des poires, qui ont été exposées à la bactérie responsable du feu bactérien, mais les fruits n’ont jamais présenté de symptômes : la bactérie ne les a pas rendus malades.
"C'était un long processus, mais cela a fonctionné", a-t-il déclaré. "Nous sommes très excités à ce sujet."
Les chercheurs affirment que les résultats pourraient fournir de nouvelles idées pour contrôler de nombreuses maladies des plantes. 80 % de la nourriture que nous consommons est produite par les plantes. Cependant, plus de 10 % de la production alimentaire mondiale – des cultures telles que le blé, le riz, le maïs, les pommes de terre et le soja – sont perdues chaque année à cause des agents pathogènes et des ravageurs des plantes, ce qui coûte à l'économie mondiale jusqu'à 220 milliards de dollars.
L'équipe de recherche a déposé une demande de brevet provisoire sur cette méthode. La prochaine étape consiste à comprendre comment cette protection fonctionne en examinant plus en détail comment les nanoparticules bloquant les canaux et les protéines des canaux interagissent, ont déclaré Zhou et le co-premier auteur Jie Cheng, doctorant dans le laboratoire de Zhou.
"Si nous pouvons visualiser ces structures, nous pourrons mieux comprendre et concevoir de meilleures solutions de protection des cultures", a déclaré Zhou.