Przy rocznej produkcji wynoszącej ponad 700 000 ton glifosat jest najczęściej stosowanym i największym herbicydem na świecie.Dużą uwagę zwraca się na odporność chwastów i potencjalne zagrożenia dla środowiska ekologicznego i zdrowia ludzkiego spowodowane nadużywaniem glifosatu.
29 maja zespół profesora Guo Ruitinga z Państwowego Kluczowego Laboratorium Biokatalizy i Inżynierii Enzymów, utworzonego wspólnie przez Wydział Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Hubei oraz wydziały prowincjonalne i ministerialne, opublikował w czasopiśmie Journal of Hazardous Materials najnowszy artykuł badawczy, w którym analizuje pierwsza analiza trawy podwórkowej.Pochodzące z (złośliwego chwastu ryżowego) reduktazy aldo-keto AKR4C16 i AKR4C17 katalizują mechanizm reakcji degradacji glifosatu i znacznie poprawiają skuteczność degradacji glifosatu przez AKR4C17 poprzez modyfikację molekularną.
Rosnąca odporność na glifosat.
Od czasu wprowadzenia w latach 70. glifosat stał się popularny na całym świecie i stopniowo stał się najtańszym, najczęściej stosowanym i najskuteczniejszym herbicydem o szerokim spektrum działania.Powoduje zaburzenia metaboliczne u roślin, w tym chwastów, poprzez swoiste hamowanie syntazy 5-enolopirogronianoszikimiano-3-fosforanu (EPSPS), kluczowego enzymu biorącego udział we wzroście i metabolizmie roślin.i śmierć.
Dlatego hodowla roślin transgenicznych odpornych na glifosat i stosowanie glifosatu na polu jest ważnym sposobem zwalczania chwastów we współczesnym rolnictwie.
Jednakże wraz z powszechnym stosowaniem i nadużywaniem glifosatu dziesiątki chwastów stopniowo wyewoluowały i rozwinęły wysoką tolerancję na glifosat.
Ponadto genetycznie zmodyfikowane rośliny uprawne odporne na glifosat nie są w stanie rozkładać glifosatu, co powoduje gromadzenie się i przenoszenie glifosatu w uprawach, który może łatwo rozprzestrzeniać się w łańcuchu pokarmowym i zagrażać zdrowiu ludzkiemu.
Dlatego pilnie należy odkryć geny, które mogą rozkładać glifosat, aby móc uprawiać rośliny transgeniczne o wysokiej odporności na glifosat i o niskiej zawartości glifosatu.
Poznanie struktury krystalicznej i mechanizmu reakcji katalitycznej enzymów rozkładających glifosat pochodzenia roślinnego
W 2019 r. chińskie i australijskie zespoły badawcze po raz pierwszy zidentyfikowały dwie rozkładające glifosat reduktazy aldo-keto, AKR4C16 i AKR4C17, z trawy podwórkowej odpornej na glifosat.Mogą wykorzystywać NADP+ jako kofaktor do rozkładu glifosatu do nietoksycznego kwasu aminometylofosfonowego i kwasu glioksalowego.
AKR4C16 i AKR4C17 to pierwsze zgłoszone enzymy rozkładające glifosat wytwarzane w wyniku naturalnej ewolucji roślin.W celu dalszego zbadania molekularnego mechanizmu degradacji glifosatu zespół Guo Ruiting wykorzystał krystalografię rentgenowską do analizy związku między tymi dwoma enzymami a wysokim poziomem kofaktora.Złożona struktura rezolucji ujawniła sposób wiązania trójskładnikowego kompleksu 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 skuteczność degradacji glifosatu.
Po uzyskaniu dokładnego trójwymiarowego modelu strukturalnego AKR4C17/NADP+/glifosat zespół profesora Guo Ruitinga uzyskał dalsze zmutowane białko AKR4C17F291D charakteryzujące się 70% wzrostem wydajności degradacji glifosatu dzięki analizie struktury enzymatycznej i racjonalnemu projektowaniu.
Analiza aktywności mutantów AKR4C17 degradujących glifosat.
„Nasza praca ujawnia molekularny mechanizm AKR4C16 i AKR4C17 katalizujący degradację glifosatu, co kładzie ważny fundament pod dalszą modyfikację AKR4C16 i AKR4C17 w celu poprawy ich wydajności degradacji glifosatu”.Współautor artykułu, profesor nadzwyczajny Dai Longhai z Uniwersytetu Hubei, powiedział, że skonstruował zmutowane białko AKR4C17F291D o zwiększonej wydajności degradacji glifosatu, które stanowi ważne narzędzie do uprawy roślin transgenicznych o wysokiej odporności na glifosat z niskimi pozostałościami glifosatu i wykorzystania bakterii inżynierii mikrobiologicznej do degradują glifosat w środowisku.
Doniesiono, że zespół Guo Ruitinga od dawna zajmuje się badaniami nad analizą struktury i omówieniem mechanizmu enzymów biodegradacyjnych, syntaz terpenoidowych i białek docelowych dla leków toksycznych i szkodliwych substancji w środowisku.Li Hao, pracownik naukowy Yang Yu i wykładowca Hu Yumei w zespole są współautorami artykułu, a Guo Ruiting i Dai Longhai są autorami korespondującymi.
Czas publikacji: 2 czerwca 2022 r