Sa godišnjom proizvodnjom od preko 700.000 tona, glifosat je najšire korišteni i najveći herbicid na svijetu. Otpornost korova i potencijalne prijetnje ekološkom okruženju i ljudskom zdravlju uzrokovane zloupotrebom glifosata privukle su veliku pažnju.
Dana 29. maja, tim profesora Guo Ruitinga iz Državne ključne laboratorije za biokatalizu i enzimski inženjering, koju su zajednički osnovali Škola prirodnih nauka Univerziteta Hubei i pokrajinski i ministarski odjeli, objavio je najnoviji istraživački rad u časopisu Journal of Hazardous Materials, analizirajući prvu analizu trave štale (maligni rižin korov). Aldo-keto reduktaze AKR4C16 i AKR4C17 izvedene iz biljke palme kataliziraju reakcijski mehanizam razgradnje glifosata i značajno poboljšavaju efikasnost razgradnje glifosata pomoću AKR4C17 putem molekularne modifikacije.
Rastuća otpornost na glifosat.
Od svog uvođenja 1970-ih, glifosat je popularan širom svijeta i postepeno je postao najjeftiniji, najčešće korišteni i najproduktivniji herbicid širokog spektra. Uzrokuje metaboličke poremećaje u biljkama, uključujući korov, specifičnim inhibiranjem 5-enolpiruvilšikimat-3-fosfat sintaze (EPSPS), ključnog enzima uključenog u rast i metabolizam biljaka, te uzrokuje njihovu smrt.
Stoga je uzgoj transgenih usjeva otpornih na glifosat i upotreba glifosata na polju važan način suzbijanja korova u modernoj poljoprivredi.
Međutim, s široko rasprostranjenom upotrebom i zloupotrebom glifosata, desetine korova su postepeno evoluirale i razvile visoku toleranciju na glifosat.
Osim toga, genetski modificirani usjevi otporni na glifosat ne mogu razgraditi glifosat, što rezultira akumulacijom i prijenosom glifosata u usjevima, koji se lako može proširiti kroz lanac ishrane i ugroziti ljudsko zdravlje.
Stoga je hitno otkriti gene koji mogu razgraditi glifosat, kako bi se uzgajale transgene kulture otporne na glifosat s niskim ostacima glifosata.
Razrješavanje kristalne strukture i mehanizma katalitičke reakcije enzima biljnog porijekla koji razgrađuju glifosat
Kineski i australijski istraživački timovi su 2019. godine prvi put identificirali dvije aldo-keto reduktaze koje razgrađuju glifosat, AKR4C16 i AKR4C17, iz trave otporne na glifosat. Oni mogu koristiti NADP+ kao kofaktor za razgradnju glifosata do netoksične aminometilfosfonske kiseline i glioksilne kiseline.
AKR4C16 i AKR4C17 su prvi zabilježeni enzimi koji razgrađuju glifosat, a nastali su prirodnom evolucijom biljaka. Kako bi dalje istražili molekularni mehanizam njihove razgradnje glifosata, Guo Ruitingov tim je koristio rendgensku kristalografiju kako bi analizirao odnos između ova dva enzima i kofaktora high. Složena struktura rezolucije otkrila je način vezivanja ternarnog kompleksa glifosata, NADP+ i AKR4C17, te predložila katalitički mehanizam reakcije razgradnje glifosata posredovane AKR4C16 i AKR4C17.
Struktura AKR4C17/NADP+/glifosat kompleksa i mehanizam reakcije razgradnje glifosata.
Molekularna modifikacija poboljšava efikasnost razgradnje glifosata.
Nakon što su dobili fini trodimenzionalni strukturni model AKR4C17/NADP+/glifosata, tim profesora Guo Ruitinga je dodatno dobio mutantni protein AKR4C17F291D sa 70% povećanjem efikasnosti razgradnje glifosata putem analize enzimske strukture i racionalnog dizajna.
Analiza aktivnosti razgradnje glifosata kod AKR4C17 mutanata.
„Naš rad otkriva molekularni mehanizam AKR4C16 i AKR4C17 koji kataliziraju degradaciju glifosata, što postavlja važnu osnovu za daljnju modifikaciju AKR4C16 i AKR4C17 kako bi se poboljšala njihova efikasnost degradacije glifosata.“ Dopisni autor rada, vanredni profesor Dai Longhai sa Univerziteta Hubei, rekao je da su konstruirali mutantni protein AKR4C17F291D s poboljšanom efikasnošću degradacije glifosata, koji pruža važan alat za uzgoj transgenih usjeva otpornih na glifosat s niskim ostacima glifosata i korištenje mikrobnih inženjerskih bakterija za degradaciju glifosata u okolišu.
Izvještava se da se Guo Ruitingov tim dugo bavi istraživanjem analize strukture i raspravom o mehanizmima biodegradacije enzima, terpenoidnih sintaza i proteina koji ciljaju lijekove toksičnih i štetnih supstanci u okolišu. Li Hao, istraživački saradnik Yang Yu i predavač Hu Yumei u timu su ko-prvi autori rada, a Guo Ruiting i Dai Longhai su ko-korespondentni autori.
Vrijeme objave: 02. juni 2022.