Ziemniak Polski 2009 nr 1
ZIEMNIAK JAKO ŹRÓDŁO
ZIEMNIAK JAKO ŹRÓDŁO
PEPTYDÓW
PEPTYDÓW I BIAŁEK
I BIAŁEK
O DZIAŁANIU ANTYBAKTERY
O DZIAŁANIU ANTYBAKTERYJNYM
NYM
ORAZ ANTYGRZYBOWYM
ORAZ ANTYGRZYBOWYM
mgr inż. Agnieszka Barnyk, dr Włodzimierz Przewodowski, dr Krzysztof Treder IHAR, Zakład Nasiennictwa i Ochrony Ziemniaka w Boninie
e-mail: barnyk@ziemniak-bonin.pl, krzysztof.treder@wp.pl
rganizmy wielokomórkowe są w stałym kontakcie z mikroorganizmami chorobo-twórczymi. W związku z tym muszą posiadać wydajny system obrony przed atakiem pato-genów. Ważnym elementem takiego syste-mu jest zdolność organizsyste-mu do wytwarzania związków o szerokim spektrum działania na mikroorganizmy.
O
Przykładem takich czynników obronnych są peptydy oraz białka wykazujące działanie antybakteryjne i antygrzybowe. Obie grupy związków to biologiczne polimery zbudowa-ne z aminokwasów. Granica pomiędzy nimi nie jest dokładnie zdefiniowana i opiera się na masie cząsteczkowej. Za białka uważa się zazwyczaj polimery aminokwasów o ma-sie cząsteczkowej większej od 5-10 tys. dal-tonów. Poniżej tej granicy związki te zalicza-my do peptydów.
Peptydy i białka obronne występują po-wszechnie, zarówno w świecie mikroorgani-zmów, roślin, owadów, jak i zwierząt wyż-szych. Ta klasa związków jest szczególnie interesująca pod względem potencjalnej apli-kacji w praktyce, ponieważ mikroorganizmy nie są zdolne do nabycia odporności na ich działanie. Jest to bardzo istotne ze względu na wzrastającą liczbę szczepów chorobo-twórczych bakterii odpornych na tradycyjne antybiotyki. Ponadto peptydy są aktywne wo-bec różnych grup mikroorganizmów. Z uwagi na mniejszą masę cząsteczkową i mniej skomplikowaną budowę przestrzenną są bardziej stabilne od białek obronnych i ła-twiej od nich pokonują różne bariery
biolo-giczne. Z tych powodów nazywa się je czę-sto „naturalnymi antybiotykami” i uważa, że jako takie zostaną w przyszłości wykorzysta-ne (Liu i in. 2000; Vizoli, Salzet 2002). Jed-nak ten pogląd może być przedwczesny, po-nieważ badania są prowadzone na razie tyl-ko na poziomie laboratoryjnym. Klasyfikacja peptydów obronnych jest utrudniona ze względu na olbrzymią różnorodność budowy peptydów na poziomie zarówno struktury pierwszorzędowej (łańcucha aminokwaso-wego), jak i struktur wyższego rzędu tworzo-nych przez ten łańcuch. Można je grupować jedynie na podstawie posiadanego ładunku (peptydy o ładunku dodatnim/ujemnym) oraz sposobu, w jaki łańcuchy aminokwasów układają się w przestrzeni (Marshall, Arenas 2003).
Cechą wspólną większości poznanych peptydów jest to, że podczas kontaktu z bło-ną komórkową mikroorganizmu łańcuch ami-nokwasów tworzących peptyd przybiera układ amfipatyczny, czyli taki, w którym resz-ty aminokwasów nierozpuszczalnych w wo-dzie (hydrofobowych) są odwo-dzielone prze-strzennie od reszt aminokwasów rozpusz-czalnych (hydrofilowych). Taka zdolność ma kluczowe znaczenie dla mechanizmu działa-nia peptydów obronnych, zaproponowanego przez Shai-Matzusaki-Huang (Matzusaki 1999). Model ten objaśnia zasadę działania większości tego typu związków (Zasloff 2002). Zakłada on, że peptyd dzięki amfipa-tycznej strukturze wiąże się częścią hydrofi-lową z posiadającymi przeciwny ładunek
Ziemniak Polski 2009 nr 1 składnikami błon komórkowych, a częścią
hydrofobową z tłuszczowym komponentem błon. Takie oddziaływania zaburzają struktu-rę błon, co prowadzi do wycieku zawartości komórki i jej śmierci. Jednak nie wszystkie peptydy działają w ten sposób. Według Za-sloff niektóre z nich aktywują komórkowe en-zymy zdolne do trawienia błon. Efektem tego jest degradacja błony komórkowej, również prowadząca do śmierci mikroorganizmu (Za-sloff 2002). Do obumierania komórek może także dochodzić na skutek łączenia się pep-tydów z DNA i blokowaniem jego syntezy (Kragol i in. 2001).
Tkanki ziemniaka zawierają wiele pepty-dów, jak również białek o charakterze obron-nym. Najbardziej znane są inhibitory proteaz, które szczególnie obficie występują w bul-wach znajdujących się w glebie zasiedlonej przez miliony mikroorganizmów, z których wiele może atakować rośliny ziemniaka. Dla-tego bulwy muszą mieć sprawny system obronny. Ponieważ genom ziemniaka jest te-traploidalny, białka tej rośliny występują czę-sto w wielu formach kodowanych przez róż-ne warianty tego samego genu. Stąd białka i peptydy obronne również mogą występować w postaci wielu form.
Sharma i inni (2004) odkryli w roślinach ziemniaka białka zdolne do niszczenia ścian komórkowych bakterii i grzybów. Są one pro-dukowane w dużych ilościach w odpowiedzi na infekcję tymi patogenami. Ponadto wiele zapasowych białek bulw ziemniaka wykazuje aktywność hamującą wzrost drobnoustrojów. Patatyny, największa grupa białek bulw, po-siadają zdolność do trawienia tłuszczowych składników błon komórkowych. Jedna z nich – patatyna-J – hamuje wzrost Phytophthora infestans (Racusen 1986, Dhondt i in. 2000).
W roślinie ziemniaka odkryto również peptydy obronne, np. pseudotioniny wykazu-jące działanie przeciwko patogenom ziem-niaka (Moreno i in. 1994). Segura i inni (1999) wyizolowali z bulw snakiny – niezna-ny wcześniej rodzaj peptydów wykazujących zdolność do hamowania wzrostu bakterii Clavibacter michiganensis ssp. sepedonicus oraz grzyba Botrytis cinerea. Peptydy snaki-na-1 i snakina-2 posiadały zdolność do agre-gacji bakterii zarówno Gram-dodatnich, jak i Gram-ujemnych.
Kim i inni (2005) wyizolowali z bulw ziem-niaka białkowy inhibitor proteaz o aktywno-ści antybiotycznej i nadali mu nazwę potami-na-1. Autorzy zaobserwowali aktywność ha-mującą wzrost grzybów Candidia albicans, Rhizoctonia solani oraz bakterii C. michiga-nensis ssp. michigamichiga-nensis. Potamina-1 dzia-ła antagonistyczne również na grzyby powo-dujących grzybice u ludzi, a jej budowa ami-nokwasowa jest zbliżona do inhibitora prote-az produkowanego przez ziemniaki podczas infekcji grzybiczej (Ye i in. 2001). Ten sam zespół badaczy wyizolował z bulw odmiany Golden Valley peptyd potide-G hamujący wzrost bakterii Staphylococcus aureus, Li-steria monocytogenes, Escherichia coli i C. michiganensis ssp. michiganensis oraz grzy-bów C. albicans i R. solani (Kim i in. 2006).
Kolejne białko o aktywności antygrzybicz-nej, oznaczone jako AFP-J, również zostało wyizolowane z bulw ziemniaka (Park i in. 2005) i silnie hamowało wzrost grzybów C. albicans, Trihosporon beigelii oraz Sacharo-myces cerevisiae. Jednak nie wykazywało ono aktywności względem grzybowych pato-genów zbóż.
Z badań prowadzonych od kilku lat w Pra-cowni Diagnostyki Molekularnej i Biochemii IHAR w Boninie wynika, że białka i peptydy o aktywności antybiotycznej można izolować nie tylko z ekstraktów z bulw czy też liści ziemniaka, ale także z preparatów ścian ko-mórkowych pochodzących z bulw (Pilecka i in. 2000). Wycierka ziemniaczana, odpad przemysłu skrobiowego, składa się głównie ze ścian komórkowych. W związku z tym może być wygodnym źródłem pozyskiwania takich substancji. Wstępne wyniki badań nad sposobami otrzymywania peptydów i białek o aktywności antybiotycznej z wycierki po-twierdziły to przypuszczenie. Uzyskano pre-parat hamujacy wzrost bakterii: Erwinia ca-rotovora caca-rotovora, Erwinia amylovora, Pseudomonas syringae, C. michiganensis ssp. michiganensis, C. michiganensis ssp. sepedonicus (Barnyk i in. 2008). Prace nad charakteryzacją białek i peptydów obecnych w tym preparacie są w toku.
Literatura
1. Barnyk A., Lewosz J., Przewodowski W. 2008.
Opracowanie metodyki izolowania białek antybakteryj-nych ze ścian komórkowych ziemniaka i określenie ich
Ziemniak Polski 2009 nr 1
aktywności na wybrane patogeny. [W:] Nasiennictwo i ochrona ziemniaka. Konf. nauk.-szkol. Kołobrzeg, 3-4. 04. 2008. IHAR ZNiOZ Bonin: 131-132; 2. Dhondt S.,
Geoffroy P., Stelmach B., Legrand M., Heitz T. 2000. Soluble phospholipase A2 and pathogenic
fit-ness of clonal linegaes of Phytophtora infestans in the United States. – Phytopathology 87: 973-978; 3. Kim
J., Park S., Kim M., Lim H., Park Y., Hahm K. 2005.
Antimicrobial activity studies on a trypsin-chymotrypsin protease inhibitor obtained from potato. – Biochem. Biophys. Res. Commun. 330: 921-927; 4. Kim M.,
Park S., Kim J., Lee S., Lim H., Cheong H., Hahm K., Park Y. 2006. Purification and characterization of a
heat-stable serine protease inhibitor from the tubers of new potato variety ‘‘Golden Valley’’. – Biochem. Bio-phys. Res. Commun. 346: 681-686; 5. Kragol G.,
Lovas S., Varadi G., Condie B., Hoffman R., Otvos L. 2001. The antibacterial pyrrhocoricin inhibits the
AT-Pase action of DnaK and prevents chaperone-assisted protein folding. – Biochemistry 40, 10: 3016- -3026; 6.
Liu Y., Luo J., Xu C., Ren F., Peng C., Wu G., Zhao J. 2000. Purification, characterization, and molecular
cloning of the gene of a seed-specific anti-microbial protein from pokeweed – Plant Physiol. 122, 4: 1015-1024; 7. Marshall S., Arenas G. 2003. Antimicrobial peptides: a natural alternative to chemical antibiotics and a potential for applied biotechnology. – Electron. J. Biotech. 6, 2: 271-284; 8. Matsuzaki K. 1999. Why and how peptilipid interaction utilized for self
de-fense? Magainins and tachyplesins as archetypes. – Bioch. Biophys. Acta 1462, 1-2: 1-10; 9. Moreno M.,
Segura A., Garcıa-Olmedo F. 1994.
Pseudothionin-PTH1, a potato peptide active against potato patho-gens. – Eur. J. Biochem. 223: 135-139; 10. Park Y.,
Choi B., Kwak J., Kang C., Lim H., Cheong H., Hahm K. 2005. Kunitz-Type Serine Protease Inhibitor
from Potato (Solanum tuberosum Jopung). – J. Agric. Food Chem. 53: 6491-6496; 11. Pilecka A., Lewosz
J., Treder K. 2000. Charakterystyka
antymikrobiolo-gicznej aktywności niektórych peptydów ścian komór-kowych ziemniaka. – Prog. Plant. Prot. 40 (1):188-194;
12. Racusen D. 1986. Esterase specificity of patatin
from two potato cultivars. – Can. J. Bot. 64: 2104-2106; 13. Segura A., Moreno M., Molina A.,
García-Olmedo F. 1999. Snakin-1, a Peptide from Potato
That Is Active Against Plant Pathogens. – MPMI 12, 1:16-23; 14. Sharma N., Gruszewski H., Park S.,
Holm D., Vivanco J. 2004. Purification of an isoform
of patatin with antimicrobial activity against
Phytopht-ora infestans. – Plant Physiol. Biochem. 42: 647-655;
15. Ye X., Ng T., Rao P., A. 2001. Bowman-birk-type
trypsin-chymotrypsin inhibitor from broad beans. – Bio-chem. Biophys. Res. Commun. 289: 91-96; 16. Vizoli
J., Salzet M. 2002. Antimicrobial peptides: new
weapons to control parasitic infections? – Trends in Parasitol. 18: 475-476; 17. Zasloff M. 2002. Antimicro-bial peptides of multicellular organisms. – Nature 415, 6870: 389-395
