Z roczną produkcją przekraczającą 700 000 ton, glifosat jest najszerzej stosowanym i największym herbicydem na świecie. Odporność chwastów i potencjalne zagrożenia dla środowiska ekologicznego i zdrowia ludzi spowodowane nadużywaniem glifosatu przyciągnęły dużą uwagę.
29 maja zespół profesora Guo Ruitinga z Państwowego Laboratorium Biokatalizy i Inżynierii Enzymów, wspólnie powołanego przez Wydział Nauk o Życiu Uniwersytetu Hubei oraz departamenty prowincjonalne i ministerialne, opublikował najnowszy artykuł badawczy w Journal of Hazardous Materials, analizując pierwszą analizę trawy chwastnicy jednorocznej. Aldo-keto-reduktaza AKR4C16 i AKR4C17 pochodząca z chwastu ryżowego katalizuje mechanizm reakcji degradacji glifosatu i znacznie poprawia wydajność degradacji glifosatu przez AKR4C17 poprzez modyfikację molekularną.
Rosnąca odporność na glifosat.
Od czasu wprowadzenia w latach 70. glifosat cieszy się popularnością na całym świecie i stopniowo stał się najtańszym, najszerzej stosowanym i najbardziej wydajnym herbicydem o szerokim spektrum działania. Powoduje zaburzenia metaboliczne u roślin, w tym chwastów, poprzez specyficzne hamowanie syntazy 5-enolpyruvylshikimate-3-fosforanu (EPSPS), kluczowego enzymu zaangażowanego we wzrost i metabolizm roślin. i śmierć.
Dlatego też hodowla roślin transgenicznych odpornych na glifosat i stosowanie glifosatu w polu stanowi istotną metodę zwalczania chwastów w nowoczesnym rolnictwie.
Jednak wraz z powszechnym stosowaniem i nadużywaniem glifosatu, dziesiątki chwastów stopniowo wyewoluowały i rozwinęły wysoką tolerancję na glifosat.
Ponadto genetycznie modyfikowane rośliny odporne na glifosat nie są w stanie rozłożyć glifosatu, co powoduje gromadzenie się i przenoszenie glifosatu w uprawach, co z kolei może łatwo rozprzestrzeniać się w łańcuchu pokarmowym i zagrażać zdrowiu ludzi.
Dlatego też niezwykle ważne jest odkrycie genów, które mogą rozkładać glifosat, aby móc uprawiać rośliny transgeniczne o wysokiej odporności na glifosat i niskiej zawartości pozostałości glifosatu.
Rozpoznanie struktury krystalicznej i mechanizmu reakcji katalitycznej enzymów degradujących glifosat pochodzenia roślinnego
W 2019 r. chińskie i australijskie zespoły badawcze po raz pierwszy zidentyfikowały dwie rozkładające glifosat aldo-ketoreduktazy, AKR4C16 i AKR4C17, z odpornej na glifosat trawy chwastnicy. Mogą wykorzystać NADP+ jako kofaktor do degradacji glifosatu do nietoksycznego kwasu aminometylofosfonowego i kwasu glioksalowego.
AKR4C16 i AKR4C17 to pierwsze zgłoszone enzymy degradujące glifosat, wytwarzane przez naturalną ewolucję roślin. Aby zbadać mechanizm molekularny ich degradacji glifosatu, zespół Guo Ruitinga wykorzystał krystalografię rentgenowską do analizy związku między tymi dwoma enzymami i kofaktorem high. Złożona struktura rozdzielczości ujawniła tryb wiązania kompleksu potrójnego glifosatu, NADP+ i AKR4C17, i zaproponowała mechanizm reakcji katalitycznej degradacji glifosatu za pośrednictwem AKR4C16 i AKR4C17.
Struktura kompleksu AKR4C17/NADP+/glifosat i mechanizm reakcji degradacji glifosatu.
Modyfikacja molekularna poprawia efektywność degradacji glifosatu.
Po uzyskaniu dokładnego trójwymiarowego modelu strukturalnego AKR4C17/NADP+/glifosat, zespół profesora Guo Ruitinga uzyskał zmutowane białko AKR4C17F291D charakteryzujące się 70-procentowym wzrostem wydajności degradacji glifosatu poprzez analizę struktury enzymatycznej i racjonalne projektowanie.
Analiza aktywności degradującej glifosat mutantów AKR4C17.
„Nasza praca ujawnia molekularny mechanizm AKR4C16 i AKR4C17 katalizujący degradację glifosatu, co stanowi ważną podstawę do dalszej modyfikacji AKR4C16 i AKR4C17 w celu poprawy ich wydajności degradacji glifosatu”. Autor korespondencyjny artykułu, profesor nadzwyczajny Dai Longhai z Hubei University, powiedział, że skonstruowali zmutowane białko AKR4C17F291D o zwiększonej wydajności degradacji glifosatu, co stanowi ważne narzędzie do uprawy wysoce odpornych na glifosat transgenicznych upraw z niską zawartością pozostałości glifosatu i wykorzystania bakterii inżynierii mikrobiologicznej do degradacji glifosatu w środowisku.
Doniesiono, że zespół Guo Ruitinga od dawna zajmuje się badaniem analizy struktury i dyskusją na temat mechanizmów enzymów biodegradacji, syntaz terpenoidowych i białek docelowych leków toksycznych i szkodliwych substancji w środowisku. Li Hao, adiunkt Yang Yu i wykładowca Hu Yumei w zespole są współautorami pierwszego artykułu, a Guo Ruiting i Dai Longhai są współautorami korespondencyjnymi.
Czas publikacji: 02-06-2022