S ročnou produkciou viac ako 700 000 ton je glyfosát najpoužívanejším a najväčším herbicídom na svete. Odolnosť voči burine a potenciálne hrozby pre ekologické prostredie a ľudské zdravie spôsobené zneužívaním glyfosátu priťahujú veľkú pozornosť.
29. mája tím profesora Guo Ruitinga zo Štátneho kľúčového laboratória biokatalýzy a enzýmového inžinierstva, ktoré spoločne založila Škola biologických vied Univerzity Hubei a provinčné a ministerské oddelenia, publikoval najnovší výskumný článok v časopise Journal of Hazardous Materials, v ktorom analyzoval prvú analýzu trávy obyčajnej. Aldo-keto reduktázy AKR4C16 a AKR4C17 odvodené z ryžovej trávy (zhubnej ryžovej buriny) katalyzujú reakčný mechanizmus degradácie glyfosátu a výrazne zlepšujú účinnosť degradácie glyfosátu pomocou AKR4C17 prostredníctvom molekulárnej modifikácie.
Rastúca rezistencia voči glyfosátu.
Od svojho zavedenia v 70. rokoch 20. storočia je glyfosát populárny na celom svete a postupne sa stal najlacnejším, najpoužívanejším a najproduktívnejším širokospektrálnym herbicídom. Spôsobuje metabolické poruchy v rastlinách vrátane burín špecifickou inhibíciou 5-enolpyruvylšikimát-3-fosfát syntázy (EPSPS), kľúčového enzýmu zapojeného do rastu a metabolizmu rastlín. a ich smrť.
Preto je šľachtenie transgénnych plodín odolných voči glyfosátu a používanie glyfosátu na poliach dôležitým spôsobom kontroly buriny v modernom poľnohospodárstve.
Avšak s rozsiahlym používaním a zneužívaním glyfosátu sa postupne vyvinuli desiatky burín a rozvinuli vysokú toleranciu voči glyfosátu.
Okrem toho geneticky modifikované plodiny odolné voči glyfosátu nedokážu glyfosát rozložiť, čo vedie k hromadeniu a prenosu glyfosátu v plodinách, ktorý sa môže ľahko šíriť potravinovým reťazcom a ohroziť ľudské zdravie.
Preto je naliehavé objaviť gény, ktoré dokážu degradovať glyfosát, aby sa mohli pestovať transgénne plodiny s vysokou odolnosťou voči glyfosátu a nízkym obsahom zvyškov glyfosátu.
Riešenie kryštálovej štruktúry a mechanizmu katalytickej reakcie enzýmov degradujúcich glyfosát rastlinného pôvodu
V roku 2019 čínske a austrálske výskumné tímy prvýkrát identifikovali dve aldo-keto reduktázy degradujúce glyfosát, AKR4C16 a AKR4C17, z trávy obyčajnej odolnej voči glyfosátu. NADP+ môžu použiť ako kofaktor na degradáciu glyfosátu na netoxickú kyselinu aminometylfosfónovú a kyselinu glyoxylovú.
AKR4C16 a AKR4C17 sú prvé zaznamenané enzýmy degradujúce glyfosát, ktoré vznikajú prirodzenou evolúciou rastlín. Aby sa ďalej preskúmal molekulárny mechanizmus ich degradácie glyfosátu, tím Guo Ruitinga použil röntgenovú kryštalografiu na analýzu vzťahu medzi týmito dvoma enzýmami a kofaktorom high. Komplexná štruktúra rozlíšenia odhalila väzbový spôsob ternárneho komplexu glyfosátu, NADP+ a AKR4C17 a navrhla katalytický reakčný mechanizmus degradácie glyfosátu sprostredkovanej AKR4C16 a AKR4C17.
Štruktúra komplexu AKR4C17/NADP+/glyfosát a reakčný mechanizmus degradácie glyfosátu.
Molekulárna modifikácia zlepšuje účinnosť degradácie glyfosátu.
Po získaní jemného trojrozmerného štrukturálneho modelu AKR4C17/NADP+/glyfosátu získal tím profesora Guo Ruitinga ďalej mutantný proteín AKR4C17F291D so 70 % zvýšením účinnosti degradácie glyfosátu prostredníctvom analýzy enzýmovej štruktúry a racionálneho dizajnu.
Analýza aktivity mutantov AKR4C17 pri degradácii glyfosátu.
„Naša práca odhaľuje molekulárny mechanizmus AKR4C16 a AKR4C17 katalyzujúcich degradáciu glyfosátu, čo kladie dôležitý základ pre ďalšiu modifikáciu AKR4C16 a AKR4C17 s cieľom zlepšiť ich účinnosť degradácie glyfosátu.“ Zodpovedajúci autor článku, docent Dai Longhai z Univerzity Hubei, uviedol, že skonštruovali mutantný proteín AKR4C17F291D so zlepšenou účinnosťou degradácie glyfosátu, ktorý poskytuje dôležitý nástroj na pestovanie transgénnych plodín s vysokou odolnosťou voči glyfosátu s nízkym obsahom zvyškov glyfosátu a na použitie mikrobiálne inžinierskych baktérií na degradáciu glyfosátu v prostredí.
Uvádza sa, že tím Guo Ruitinga sa dlhodobo zaoberá výskumom štruktúrnej analýzy a diskusiou o mechanizmoch biodegradačných enzýmov, terpenoidných syntáz a cieľových proteínov liečiv toxických a škodlivých látok v životnom prostredí. Li Hao, výskumník Yang Yu a lektor Hu Yumei v tíme sú spoluautormi prvého diela a Guo Ruiting a Dai Longhai sú spoluautormi v rámci korešpondencie.
Čas uverejnenia: 2. júna 2022