Solunsisäisen Methylobacterium extorquens DSM13060 endofyytin ja männyn (Pinus sylvestris L.) vuorovaikutussuhde

Männyn ja solunsisäisen symbionttibakteerin vuorovaikutus paljasti uuden selviytymismekanismin bakteereilta

Väitöskirjatutkimuksen lähtökohtana oli ymmärtää, miten männyn ja bakteereiden välinen yhteiselo toimii. Yhden bakteerilajeista (Methylobacterium extorquens) tiedettiin vaikuttavan männyn taimien kasvuun ja kehitykseen positiivisesti. Tutkimuksessa tämän metylobakteerin havaittiin yllättäen elävän tiiviisti isäntäkasvin solujen sisällä tumien läheisyydessä. Metylobakteerin genomi sisältää useita geenejä, jotka koodaavat kasvisolun säätelytekijöiden kaltaisia entsyymejä. Näiden avulla bakteeri todennäköisesti vaikuttaa suoraan männyn aineenvaihduntaan solujen sisältä. Vastaavaa vaikutusmekanismia ei ole aikaisemmin kuvattu mikrobeilta, jotka elävät kasvien kanssa symbioosissa. Tulokset viittaavatkin vahvasti uudentyyppiseen solunsisäiseen endosymbioosiin metylobakteerin ja kotimaisen männyn välillä. Tutkimus korostaa aiemmin tuntemattomien kasvusolukoissa elävien endosymbionttien keskeistä merkitystä männyn kasvussa ja kehityksessä.

Metylobakteeri kykenee leviämään solukoiden läpi männyn taimen eri osiin tehokkaasti, huolimatta isäntäkasvin puolustuksen tuottamista hapettavista yhdisteistä. Bakteeri käyttää kasvin pinnalla runsaana olevaa metanolia energianlähteenään, varastoiden sen solujen sisäiseksi polyhydroksibutyraatti (PHB) polymeeriksi. Infektion myöhemmissä vaiheissa metylobakteeri hajottaa varastoidut polymeerijyväset depolymeraasientsyymien avulla lyhyiksi rasvahappoketjuiksi. Nämä rasvahappoketjut suojaavat bakteeria isäntäkasvin puolustuksen tuottamilta hapettavilta yhdisteiltä ja näin mahdollistavat bakteeri-infektion etenemisen solukoissa. Väitöskirjatutkimuksessa saadut tulokset osoittavat metylobakteerin solunsisäisen energiavaraston, PHB:n, toimivan suojaavana antioksidanttivarastona ympäristön hapettavaa stressiä vastaan.

Ihmiselimistössä elävien hyödyllisten bakteerien tiedetään nykyisin olevan välttämättömiä terveydelle. Sama pätee myös kasveihin, joiden yhteiselo mikrobien kanssa on ehtinyt kestää satoja miljoonia vuosia kauemmin. Kasvin sisällä elävien endofyyttisten bakteerien tutkimus on perinteisesti keskittynyt viljelykasveihin ja niiden juuristoon. Puuvartisten kasvien maanpäällisten versojen mikrobistosta ja niiden vuorovaikutuksista sen sijaan tiedetään tällä hetkellä hyvin vähän. Väitöskirjatutkimuksessa männyn ja metylobakteerin välistä vuorovaikutusta ja siihen liittyviä bioaktiivisia molekyylejä, niiden vaikutusmekanismeja sekä geenejä tarkasteltiin laaja-alaisesti molekyylibiologian, mikrobiologian, genomiikan ja kemian menetelmin.

Tutkimus paljasti bakteereista uuden antioksidatiivisen puolustusmekanismin, joka on levinnyt laajalle bakteerikunnassa ja liittyy yleisesti niiden kykyyn sietää vaikeita olosuhteita. Samainen mekanismi löytyy monilta solunsisäisiltä taudinaiheuttajilta, jotka läpäisevät usein kehon immuunivasteisen puolustuskoneiston ja aiheuttavat ihmiselle vaikeita bakteeri-infektioita, kuten kolera (Vibrio), pilkkukuume (Rickettsia), tuberkuloosi (Mycobacterium) ja legioonalaistauti (Legionella). Tehdyn löydön pohjalta on mahdollista kehittää antimikrobisia lääkkeitä, jotka estävät bakteereilta suojaavan rasvahapon tuotannon ja näin altistaa ne helpommin elimistön puolustusreaktioille. Lisäksi tutkimuksessa tunnistettujen bioaktiivisten yhdisteiden lääketieteellisiä sovellusmahdollisuuksia ollaan parhaillaan selvittämässä ihmisen rappeumasairauksien hoidossa.