Z letno proizvodnjo več kot 700.000 ton je glifosat najpogosteje uporabljen in največji herbicid na svetu. Odpornost plevela in potencialne grožnje za ekološko okolje in zdravje ljudi zaradi zlorabe glifosata so pritegnile veliko pozornosti.
29. maja je ekipa profesorja Guo Ruitinga iz Državnega ključnega laboratorija za biokatalizo in encimsko inženirstvo, ki so ga skupaj ustanovili Šola za znanosti o življenju Univerze Hubei ter pokrajinski in ministrski oddelki, objavila najnovejši raziskovalni članek v reviji Journal of Hazardous Materials, v katerem je analizirala prvo analizo hleva (maligni rižev plevel). Aldo-keto reduktazi AKR4C16 in AKR4C17, pridobljeni iz koruzne trave, katalizirata reakcijski mehanizem razgradnje glifosata in močno izboljšata učinkovitost razgradnje glifosata z AKR4C17 z molekularno modifikacijo.
Naraščajoča odpornost na glifosat.
Glifosat je od svoje uvedbe v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja priljubljen po vsem svetu in je postopoma postal najcenejši, najpogosteje uporabljen in najbolj produktiven herbicid širokega spektra. Povzroča presnovne motnje v rastlinah, vključno s plevelom, tako da specifično zavira 5-enolpiruvilšikimat-3-fosfat sintazo (EPSPS), ključni encim, ki sodeluje pri rasti in presnovi rastlin, ter njihovo smrt.
Zato je vzreja transgenih poljščin, odpornih na glifosat, in uporaba glifosata na polju pomemben način zatiranja plevela v sodobnem kmetijstvu.
Vendar pa se je zaradi široke uporabe in zlorabe glifosata postopoma razvilo na desetine plevelov, ki so razvili visoko toleranco na glifosat.
Poleg tega gensko spremenjeni pridelki, odporni na glifosat, ne morejo razgraditi glifosata, kar povzroči kopičenje in prenos glifosata v pridelkih, ki se lahko zlahka širi po prehranjevalni verigi in ogroža zdravje ljudi.
Zato je nujno odkriti gene, ki lahko razgradijo glifosat, da bi lahko gojili transgene rastline, odporne na glifosat, z nizko vsebnostjo ostankov glifosata.
Reševanje kristalne strukture in mehanizma katalitične reakcije rastlinskih encimov, ki razgrajujejo glifosat
Leta 2019 sta kitajski in avstralski raziskovalni skupini prvič identificirali dve aldo-keto reduktazi, AKR4C16 in AKR4C17, ki razgrajujeta glifosat, iz na glifosat odporne hlevne trave. NADP+ lahko uporabijo kot kofaktor za razgradnjo glifosata v netoksično aminometilfosfonsko kislino in glioksilno kislino.
AKR4C16 in AKR4C17 sta prva opisana encima, ki razgrajujeta glifosat, ki nastaneta z naravno evolucijo rastlin. Da bi dodatno raziskali molekularni mehanizem njune razgradnje glifosata, je ekipa Guo Ruitinga uporabila rentgensko kristalografijo za analizo odnosa med tema dvema encimoma in kofaktorjem high. Kompleksna struktura ločljivosti je razkrila način vezave ternarnega kompleksa glifosata, NADP+ in AKR4C17 ter predlagala katalitični reakcijski mehanizem razgradnje glifosata, ki jo posredujeta AKR4C16 in AKR4C17.
Struktura kompleksa AKR4C17/NADP+/glifosata in reakcijski mehanizem razgradnje glifosata.
Molekularna modifikacija izboljša učinkovitost razgradnje glifosata.
Po pridobitvi natančnega tridimenzionalnega strukturnega modela AKR4C17/NADP+/glifosata je ekipa profesorja Guo Ruitinga s pomočjo analize encimske strukture in racionalne zasnove pridobila mutantni protein AKR4C17F291D s 70-odstotnim povečanjem učinkovitosti razgradnje glifosata.
Analiza aktivnosti razgradnje glifosata pri mutantih AKR4C17.
»Naše delo razkriva molekularni mehanizem, kako AKR4C16 in AKR4C17 katalizirata razgradnjo glifosata, kar postavlja pomembne temelje za nadaljnjo modifikacijo AKR4C16 in AKR4C17 za izboljšanje njune učinkovitosti razgradnje glifosata.« Dopisni avtor članka, izredni profesor Dai Longhai z Univerze Hubei, je povedal, da so konstruirali mutantni protein AKR4C17F291D z izboljšano učinkovitostjo razgradnje glifosata, ki predstavlja pomembno orodje za gojenje transgenih poljščin, odpornih na glifosat, z nizkimi ostanki glifosata in uporabo mikrobnih inženirskih bakterij za razgradnjo glifosata v okolju.
Poroča se, da se Guo Ruitingova ekipa že dolgo ukvarja z raziskavami strukturne analize in razpravo o mehanizmih biorazgradnih encimov, terpenoidnih sintaz in ciljnih beljakovin za zdravila strupenih in škodljivih snovi v okolju. Li Hao, pridruženi raziskovalec Yang Yu in predavatelj Hu Yumei v ekipi so soavtorji prvega dela članka, Guo Ruiting in Dai Longhai pa sta soavtorja, ki se dopisujeta.
Čas objave: 2. junij 2022