Z roczną produkcją przekraczającą 700 000 ton, glifosat jest najpowszechniej stosowanym i największym herbicydem na świecie. Odporność chwastów na chwasty oraz potencjalne zagrożenia dla środowiska i zdrowia ludzi spowodowane nadużywaniem glifosatu przyciągnęły ogromną uwagę.
29 maja zespół profesora Guo Ruitinga z Państwowego Laboratorium Biokatalizy i Inżynierii Enzymów (State Key Laboratory of Biocatalysis and Enzyme Engineering), powołanego wspólnie przez Wydział Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Hubei oraz departamenty prowincji i ministerstw, opublikował najnowszy artykuł badawczy w czasopiśmie „Journal of Hazardous Materials”, analizując pierwszą analizę chwastnicy pospolitej (złośliwego chwastu ryżowego). Aldo-keto-reduktazy AKR4C16 i AKR4C17, pochodzące z chwastu, katalizują mechanizm reakcji degradacji glifosatu i znacznie zwiększają wydajność degradacji glifosatu przez AKR4C17 poprzez modyfikację molekularną.
Rosnąca odporność na glifosat.
Od momentu wprowadzenia na rynek w latach 70. XX wieku glifosat cieszy się popularnością na całym świecie i stopniowo stał się najtańszym, najszerzej stosowanym i najbardziej wydajnym herbicydem o szerokim spektrum działania. Powoduje on zaburzenia metaboliczne u roślin, w tym chwastów, poprzez specyficzne hamowanie syntazy 5-enolopirogronianowo-szikimowo-3-fosforanowej (EPSPS), kluczowego enzymu zaangażowanego we wzrost, metabolizm i śmierć roślin.
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, a to z kolei może łatwo rozprzestrzeniać się w łańcuchu pokarmowym i zagrażać zdrowiu ludzi.
Dlatego też pilnie potrzebne 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 pochodzących z roślin
W 2019 roku chińskie i australijskie zespoły badawcze po raz pierwszy zidentyfikowały dwie aldo-ketoreduktazy rozkładające glifosat, AKR4C16 i AKR4C17, w chwastnicy odpornej na glifosat. Mogą one wykorzystać NADP+ jako kofaktor do degradacji glifosatu do nietoksycznego kwasu aminometylofosfonowego i kwasu glioksalowego.
AKR4C16 i AKR4C17 to pierwsze opisane enzymy degradujące glifosat, wytwarzane w procesie naturalnej ewolucji roślin. Aby dokładniej zbadać molekularny mechanizm degradacji glifosatu, zespół Guo Ruitinga wykorzystał krystalografię rentgenowską do analizy związku między tymi dwoma enzymami a kofaktorem. Złożona struktura uzyskana w wyniku analizy ujawniła sposób wiązania kompleksu potrójnego glifosatu, NADP+ i AKR4C17, a także zaproponowała mechanizm reakcji katalitycznej degradacji glifosatu za pośrednictwem AKR4C16 i AKR4C17.
Struktura kompleksu AKR4C17/NADP+/glifosat i mechanizm reakcji degradacji glifosatu.
Modyfikacja molekularna poprawia skuteczność degradacji glifosatu.
Po uzyskaniu dokładnego trójwymiarowego modelu strukturalnego AKR4C17/NADP+/glifosat, zespół profesora Guo Ruitinga uzyskał także 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 wydajności degradacji glifosatu”. Autor korespondencyjny artykułu, profesor nadzwyczajny Dai Longhai z Uniwersytetu Hubei, powiedział, że skonstruowali zmutowane białko AKR4C17F291D o zwiększonej wydajności degradacji glifosatu, które stanowi ważne narzędzie do uprawy transgenicznych roślin o wysokiej odporności na glifosat i niskiej zawartości pozostałości glifosatu oraz do wykorzystania bakterii inżynierii mikrobiologicznej do degradacji glifosatu w środowisku.
Zespół Guo Ruitinga od dawna zajmuje się analizą struktury i omówieniem mechanizmów enzymów biodegradacji, syntaz terpenoidowych oraz białek docelowych leków w substancjach toksycznych i szkodliwych w środowisku. Li Hao, współpracownik naukowy Yang Yu i wykładowca Hu Yumei z tego zespołu są współautorami artykułu, a Guo Ruiting i Dai Longhai są współautorami korespondencyjnymi.
Czas publikacji: 02-06-2022