С годишно производство от над 700 000 тона, глифозатът е най-широко използваният и най-голям хербицид в света. Устойчивостта на плевелите и потенциалните заплахи за екологичната среда и човешкото здраве, причинени от злоупотребата с глифозат, привличат голямо внимание.
На 29 май екипът на професор Гуо Руитинг от Държавната ключова лаборатория по биокатализа и ензимно инженерство, създадена съвместно от Училището по науки за живота на университета Хубей и провинциалните и министерските ведомства, публикува най-новата научна статия в Journal of Hazardous Materials, анализираща първия анализ на селска трева. Алдо-кето редуктазата AKR4C16 и AKR4C17, получени от селска трева (злокачествена оризова трева), катализират реакционния механизъм на разграждане на глифозат и значително подобряват ефективността на разграждане на глифозат от AKR4C17 чрез молекулярна модификация.
Нарастваща резистентност към глифозат.
От въвеждането си през 70-те години на миналия век, глифозатът е популярен по целия свят и постепенно се превръща в най-евтиния, най-широко използван и най-продуктивен широкоспектърен хербицид. Той причинява метаболитни нарушения в растенията, включително плевелите, като специфично инхибира 5-енолпирувилшикимат-3-фосфат синтазата (EPSPS), ключов ензим, участващ в растежа и метаболизма на растенията, и ги причинява смърт.
Следователно, отглеждането на трансгенни култури, устойчиви на глифозат, и използването на глифозат на полето е важен начин за борба с плевелите в съвременното земеделие.
Въпреки това, с широкото използване и злоупотреба с глифозат, десетки плевели постепенно са еволюирали и са развили висока толерантност към глифозат.
Освен това, генетично модифицираните култури, устойчиви на глифозат, не могат да разградят глифозата, което води до натрупване и пренос на глифозат в културите, който може лесно да се разпространи по хранителната верига и да застраши човешкото здраве.
Следователно е спешно да се открият гени, които могат да разграждат глифозата, за да се култивират трансгенни култури с висока устойчивост на глифозат и ниски нива на остатъци от глифозат.
Разрешаване на кристалната структура и механизма на каталитична реакция на ензими, разграждащи глифозат, получени от растения
През 2019 г. китайски и австралийски изследователски екипи идентифицираха за първи път две алдо-кето редуктази, разграждащи глифозат, AKR4C16 и AKR4C17, от устойчива на глифозат трева. Те могат да използват NADP+ като кофактор за разграждане на глифозат до нетоксична аминометилфосфонова киселина и глиоксилова киселина.
AKR4C16 и AKR4C17 са първите докладвани ензими, разграждащи глифозат, произведени от естествената еволюция на растенията. За да проучи по-нататък молекулярния механизъм на тяхното разграждане на глифозат, екипът на Гуо Руитинг използва рентгенова кристалография, за да анализира връзката между тези два ензима и кофактора high. Сложната структура на разделителната способност разкри начина на свързване на тройния комплекс от глифозат, NADP+ и AKR4C17 и предложи каталитичния реакционен механизъм на AKR4C16 и AKR4C17-медиирано разграждане на глифозат.
Структура на AKR4C17/NADP+/глифозатен комплекс и реакционен механизъм на разграждане на глифозат.
Молекулярната модификация подобрява ефективността на разграждане на глифозата.
След като получи финия триизмерен структурен модел на AKR4C17/NADP+/глифозат, екипът на професор Гуо Руитинг допълнително получи мутантен протеин AKR4C17F291D със 70% увеличение на ефективността на разграждане на глифозат чрез анализ на ензимната структура и рационален дизайн.
Анализ на глифозат-разграждащата активност на AKR4C17 мутанти.
„Нашата работа разкрива молекулярния механизъм на катализирането на разграждането на глифозат от AKR4C16 и AKR4C17, което поставя важна основа за по-нататъшното модифициране на AKR4C16 и AKR4C17, за да се подобри ефективността им на разграждане на глифозат.“ Авторът на статията, доцент Дай Лонгхай от университета Хубей, заяви, че са конструирали мутантен протеин AKR4C17F291D с подобрена ефективност на разграждане на глифозат, който предоставя важен инструмент за култивиране на трансгенни култури с висока устойчивост на глифозат с ниски остатъци от глифозат и използване на микробно инженерни бактерии за разграждане на глифозат в околната среда.
Съобщава се, че екипът на Гуо Руитинг отдавна се занимава с изследвания върху структурния анализ и обсъждането на механизмите на биоразграждане на ензими, терпеноидни синтази и лекарствени протеини на токсични и вредни вещества в околната среда. Ли Хао, асоциираният изследовател Ян Ю и лекторът Ху Юмей в екипа са съавтори на първичната статия, а Гуо Руитинг и Дай Лонгхай са съавтори, отговарящи за кореспонденцията.
Време на публикуване: 02 юни 2022 г.