З річним обсягом виробництва понад 700 000 тонн, гліфосат є найпоширенішим та найбільш поширеним гербіцидом у світі. Стійкість бур'янів та потенційні загрози для екологічного середовища та здоров'я людини, спричинені зловживанням гліфосатом, привернули велику увагу.
29 травня команда професора Го Руйтіна з Державної ключової лабораторії біокаталізу та ферментної інженерії, спільно створеної Школою наук про життя Хубейського університету та провінційними та міністерськими відомствами, опублікувала останню дослідницьку статтю в журналі «Журнал небезпечних матеріалів», в якій проаналізовано перший аналіз хліва (злоякісного рисового бур'яну). Альдо-кеторедуктази AKR4C16 та AKR4C17, отримані з корівника (злоякісного рисового бур'яну), каталізують механізм реакції деградації гліфосату та значно покращують ефективність деградації гліфосату за допомогою AKR4C17 шляхом молекулярної модифікації.
Зростання стійкості до гліфосату.
З моменту свого появи в 1970-х роках гліфосат став популярним у всьому світі та поступово став найдешевшим, найпоширенішим та найпродуктивнішим гербіцидом широкого спектру дії. Він викликає порушення метаболізму у рослин, включаючи бур'яни, шляхом специфічного пригнічення 5-енолпірувілшикімат-3-фосфатсинтази (EPSPS), ключового ферменту, що бере участь у рості та метаболізмі рослин, а також їхньої загибелі.
Тому селекція трансгенних культур, стійких до гліфосату, та використання гліфосату в польових умовах є важливим способом боротьби з бур'янами в сучасному сільському господарстві.
Однак, через широке використання та зловживання гліфосатом, десятки бур'янів поступово еволюціонували та розвинули високу стійкість до гліфосату.
Крім того, генетично модифіковані культури, стійкі до гліфосату, не можуть розкладати гліфосат, що призводить до накопичення та передачі гліфосату в культурах, який може легко поширюватися харчовим ланцюгом та загрожувати здоров'ю людини.
Тому терміново необхідно відкрити гени, здатні розкладати гліфосат, щоб культивувати трансгенні культури з високою стійкістю до гліфосату та низьким вмістом залишків гліфосату.
Розв'язання кристалічної структури та механізму каталітичної реакції ферментів рослинного походження, що розкладають гліфосат
У 2019 році китайські та австралійські дослідницькі групи вперше ідентифікували дві альдо-кеторедуктази, що розкладають гліфосат, AKR4C16 та AKR4C17, з гліфосат-стійкої трави. Вони можуть використовувати NADP+ як кофактор для розкладу гліфосату до нетоксичної амінометилфосфонової кислоти та гліоксилової кислоти.
AKR4C16 та AKR4C17 – це перші зареєстровані ферменти, що розкладають гліфосат, що утворюються в результаті природної еволюції рослин. Для подальшого дослідження молекулярного механізму їхньої деградації гліфосату команда Го Руйтіна використала рентгенівську кристалографію для аналізу взаємозв'язку між цими двома ферментами та кофактором high. Складна структура роздільної здатності виявила спосіб зв'язування потрійного комплексу гліфосату, NADP+ та AKR4C17, а також запропонувала каталітичний механізм реакції деградації гліфосату, опосередкованої AKR4C16 та AKR4C17.
Структура комплексу AKR4C17/NADP+/гліфосат та механізм реакції деградації гліфосату.
Молекулярна модифікація покращує ефективність деградації гліфосату.
Після отримання точної тривимірної структурної моделі AKR4C17/NADP+/гліфосату, команда професора Го Руйтіна додатково отримала мутантний білок AKR4C17F291D зі збільшенням ефективності деградації гліфосату на 70% завдяки аналізу структури ферментів та раціональному дизайну.
Аналіз активності мутантів AKR4C17 щодо деградації гліфосату.
«Наша робота розкриває молекулярний механізм каталізу деградації гліфосату AKR4C16 та AKR4C17, що закладає важливу основу для подальшої модифікації AKR4C16 та AKR4C17 з метою покращення ефективності деградації гліфосату». Автор статті, доцент Дай Лонгхай з Хубейського університету, зазначив, що вони сконструювали мутантний білок AKR4C17F291D з покращеною ефективністю деградації гліфосату, який є важливим інструментом для вирощування трансгенних культур з високою стійкістю до гліфосату та низьким вмістом залишків гліфосату, а також використання мікробно-інженерних бактерій для деградації гліфосату в навколишньому середовищі.
Повідомляється, що команда Го Руйтіна вже давно займається дослідженням структурного аналізу та обговоренням механізмів біодеградації ферментів, терпеноїдних синтаз та білків-мішеней для ліків токсичних і шкідливих речовин у навколишньому середовищі. Лі Хао, молодший науковий співробітник Ян Юй та викладач Ху Юмей у команді є співавторами перших статей, а Го Руйтіна та Дай Лонгхай є співавторами-кореспондентами.
Час публікації: 02 червня 2022 р.