Забруднених територій у нашій країні, на жаль, чимало. Це і Чорнобильська зона відчуження, і райони, забруднені внаслідок аварій на переробних, хімічних підприємствах. Окрім того, зростає кількість посушливих та засолених земель. Як почуваються на цих територіях рослини? Які зміни в них відбуваються? І найважливіше – чи придатні такі рослини для їжі?
На ці та інші запитання шукають відповіді науковці лабораторії біофізики сигнальних систем Інституту клітинної біології та генетичної інженерії НАН України. Їх проєкт «Вплив стресових чинників на синтез білків з пріонними властивостями у рослин» переміг у конкурсі «Підтримка досліджень провідних та молодих учених» й отримав фінансування в розмірі 11, 5 мільйонів гривень.
Команда, яка виконує проєкт, – весела й дружна. На інтерв’ю вони збираються разом, з гордістю показують нове обладнання (на кожному приладі та комп’ютері наклейка – «Придбано за кошти Національного фонду досліджень України»), демонструють, як заміряти стрес у рослини.
– Ось це – портативний флуориметр, – показує невеликий прилад відповідальна виконавиця проєкту Наталія Куцоконь. – Прикладаємо до листка, натискаємо кнопку і бачимо, чи оптимальний у рослині вміст хлорофілу, антоціанів, флавонолів, який азотно-флавонольний індекс. І розуміємо – «стресує» рослина чи ні. Рослина не може сказати, як почувається, але ми можемо це визначити за різними показниками.
Учені пояснюють: стресові чинники дуже впливають на біохімію рослин. Але, на відміну від комах, звірів чи пташок, рослини не можуть «втекти» з несприятливого місця. «Будь-який вплив та пошкодження рослина сприймає як «напад». Окрім опромінення та отруєння важкими металами це може бути механічне пошкодження, перегрів, посуха, ураження пліснявою, бактеріями. Рослина захищається, синтезує і накопичує отруйні для «агресорів» речовини. Ці речовини надають рослині стійкості», – зазначає одна з виконавиць проєкту, Марина Кривохижа.
Науковці з різних країн добре вивчили так звані вторинні метаболіти (речовини, які рослини використовують для захисту від несприятливих умов та шкідників), а ось на рівні білків пристосувальні реакції вивчені значно менше.
– Між тим, під час небезпеки рослини синтезують і «неправильні» білки, – включається в розмову науковий співробітник лабораторії Сергій Літвінов. – Рослини захищаються за допомогою пріоноподібних (неправильно складених) білків та амілоїдів (аномальних білкових скупчень).
Коли ж вдалося помітити ці аномалії? І що буде, якщо вжити «неправильні» білки в їжу?
Керівник проєкту, завідувач лабораторії Рашидов Намік Мамед огли розповів, що науковці цього підрозділу вивчають сільськогосподарські рослини вже багато років (дослідження започаткував академік НАН України Дмитро Гродзинський ще у 1960-ті роки). Із перших днів аварії на ЧАЕС досліджують вплив радіації на рослини, з 2005 року почали вивчати, наприклад, як змінюються характеристики сої та льону при хронічному опроміненні. На чистих та радіаційно забруднених ділянках у зоні відчуження ЧАЕС виростили кілька поколінь цих рослин. З’ясували, що при опроміненні змінюється генотип рослин, вони перестають синтезувати певні білки чи, навпаки, синтезують «неправильні», шкідливі для людини білки.
– Ми помітили, що рослини синтезують білки, які викликають алергічні реакції, – продовжив розповідь Намік Мамед огли. – Поясню просто: білки нагадують ланцюг, що складається з окремих, зчеплених між собою деталей, – амінокислот. Це як у конструкторі LEGO або у змійці Рубіка – одну й ту саму послідовність деталей можна по-різному розташувати у просторі. Правильно складені білки можуть містити як α-спіральні частини, так і β-листи. Проте під дією стресових факторів у білках утворюються щільні β-шари, які призводять до того, що фігура амінокислотного «конструктору» стає дуже щільною й компактною. Вона втрачає корисні біохімічні властивості й набуває здатності перетворювати інші білки на собі подібні (пріони) та злипатися з ними у великі, токсичні для організму грудки (β-амілоїди). Такі білки з порушеною структурою стають алергенними і можуть викликати різні хвороби тварин та людей, наприклад, хворобу Альцгеймера, губчасту енцефалопатію тощо.
Пріоноподібні та амілоїдні білки змінюють програми росту, розвитку та розмноження рослин. У їжу такі рослини вживати не варто, а от для інших потреб – можна й потрібно використовувати.
Для рекультивації забруднених земель можна висадити, наприклад, енергетичні насадження швидкорослих дерев тополі та верби. І раз у три роки збирати біомасу та використовувати її для опалення. Також рослини можна використати для рекультивації земель (наприклад, сміттєзвалищ).
У проєкті, який науковці виконують за кошти НФДУ, вплив стресових чинників на синтез білків досліджують більш глибоко й на сучасному обладнанні. Отримати нові результати допомагають, зокрема, придбані за кошти Фонду спектрофотометр, мультиметр, бокс біобезпеки, настільна центрифуга з охолодженням, автоклав, холодильна камера, дозатор великого об’єму, мінісервер для обробки та збереження бази даних, комп’ютерна техніка тощо. У 2022 році заплановано придбання ще одного важливого приладу – FTIR-спектрофотометра для визначення просторової структури білків та інших сполук.
Частину дослідження вчені провели у Словаччині. Науковці з цієї країни мають перевірені методики аналізу зразків – це допомагає виконати проєкт максимально швидко.
До речі, під час дослідження вчені скористалися насінням рослин, вирощених кілька років тому в Чорнобильській зоні відчуження. Перевіряли – чи передається «пам’ять» від рослин, опромінених раніше, до їхніх нащадків.
Проєкт ще триває, але вже отримано дуже вагомі результати. Учені довели, що радіація, тепло, техногенні забруднення, ультрафіолет, посуха справді провокують синтез білків з пріонними властивостями. Визначили, як діють стресові чинники на білки сої, льону, гороху, пшениці, ячменю, нуту, тополі, верби, паротії перської, арабідопсису. Довели, що алергенні купінові білки накопичуються у декількох покоління, тобто зміни відбуваються на генетичному рівні. А також – визначили маркери, за допомогою яких можна проводити скринінг пріоноподібних білків та амілоїдів.
На сьогодні надруковано чотири статті в рейтингових журналах, ще кілька – готують до друку. Дослідники планують представити результати на конференціях та семінарах, розповісти про них аграріям, біотехнологам, селекціонерам, виробникам у галузі харчової промисловості.
– Наша робота – фундаментальна, але вона має й величезне практичне значення, – пояснив Намік Рашидов. – Клімат погіршується, збільшується кількість проблемних земель, і потрібно розуміти, як ті чи інші умови впливають на рослини, як вони змінюються і яку шкоду можуть завдати людині.
Дослідники планують створити рекомендації щодо скринінгу (перевірки) культурних рослин та харчових продуктів на наявність потенційно небезпечних білків. А також готові консультувати аграріїв з питань оптимізації умов вирощування рослин та зменшення ризику накопичення «неправильних» білків. «Сподіваюся, що аграрії скористаються нашою методикою і зможуть підбирати сільськогосподарські культури для різних територій», – додав Намік Мамед огли.
Традиційно запитуємо у наукового керівника: «У чому запорука успіху команди?».
– У професійності, спільному баченні, готовності працювати «не для галочки», – відповів співрозмовник. – Усі виконавці проєкту є вихованцями наукової школи, яку створив академік Дмитро Гродзинський. Кожен із нас відповідає за свою ділянку роботи, але завжди готовий допомогти колегам. До речі, науковців нашої лабораторії не раз запрошували переїхати за кордон, але всі залишилися в Україні. Вдячні Фонду за можливість придбати обладнання й виконати складний проєкт удома. Для молоді це дуже важливо!
Із сімох членів команди лабораторії четверо – молоді науковці. До речі, в команді субвиконавця проєкту, Національного ботанічного саду імені М. М. Гришка НАН України, двоє з трьох виконавців – також молоді вчені.
– Нам цікаво і драйвово виконувати цей проєкт, – усміхається Сергій Літвінов. – Розуміємо, що ця тема справді надзвичайно важлива. Це і є «секретом» нашого успіху.