Глифосат, с ежегодным объемом производства более 700 000 тонн, является самым распространенным и крупнейшим гербицидом в мире. Устойчивость сорняков к глифосату, а также потенциальные угрозы для экологической среды и здоровья человека, вызванные его злоупотреблением, привлекают большое внимание.
29 мая группа профессора Го Жуйтина из Государственной ключевой лаборатории биокатализа и ферментной инженерии, созданной совместно Школой наук о жизни Хубэйского университета и провинциальными и министерскими ведомствами, опубликовала в журнале «Journal of Hazardous Materials» последнюю научную статью, в которой впервые был проведен анализ альдо-кето-редуктаз AKR4C16 и AKR4C17, полученных из ежовника обыкновенного (злокачественного рисового сорняка), которые катализируют механизм реакции разложения глифосата и значительно повышают эффективность разложения глифосата благодаря молекулярной модификации AKR4C17.
Растет устойчивость к глифосату.
С момента своего появления в 1970-х годах глифосат стал популярен во всем мире и постепенно превратился в самый дешевый, наиболее широко используемый и наиболее эффективный гербицид широкого спектра действия. Он вызывает метаболические расстройства у растений, включая сорняки, путем специфического ингибирования 5-енолпирувилшикимат-3-фосфатсинтазы (EPSPS), ключевого фермента, участвующего в росте и метаболизме растений, а также приводит к их гибели.
Таким образом, выведение трансгенных культур, устойчивых к глифосату, и применение глифосата в полевых условиях является важным способом борьбы с сорняками в современном сельском хозяйстве.
Однако, в связи с широким использованием и злоупотреблением глифосатом, десятки сорняков постепенно эволюционировали и выработали высокую устойчивость к этому веществу.
Кроме того, генетически модифицированные культуры, устойчивые к глифосату, не способны разлагать глифосат, что приводит к его накоплению и переносу в растениях, что может легко распространяться по пищевой цепи и представлять опасность для здоровья человека.
Поэтому крайне важно обнаружить гены, способные разлагать глифосат, чтобы выращивать трансгенные культуры с высокой устойчивостью к глифосату и низким содержанием его остатков.
Определение кристаллической структуры и механизма каталитической реакции растительных ферментов, разлагающих глифосат.
В 2019 году китайские и австралийские исследовательские группы впервые идентифицировали две альдо-кето-редуктазы, разлагающие глифосат, AKR4C16 и AKR4C17, в устойчивой к глифосату ежовнике обыкновенном. Они могут использовать NADP+ в качестве кофактора для разложения глифосата до нетоксичных аминометилфосфоновой кислоты и глиоксиловой кислоты.
AKR4C16 и AKR4C17 — первые описанные ферменты, разлагающие глифосат, которые появились в результате естественной эволюции растений. Для дальнейшего изучения молекулярного механизма разложения глифосата, команда Го Жуйтина использовала рентгеновскую кристаллографию для анализа взаимосвязи между этими двумя ферментами и кофактором. Полученная структура комплекса позволила определить способ связывания тройного комплекса глифосата, NADP+ и AKR4C17 и предложить механизм каталитической реакции разложения глифосата, опосредованной AKR4C16 и AKR4C17.
Структура комплекса AKR4C17/NADP+/глифосат и механизм реакции разложения глифосата.
Молекулярная модификация повышает эффективность разложения глифосата.
После получения точной трехмерной структурной модели AKR4C17/NADP+/глифосат, команда профессора Го Жуйтина дополнительно получила мутантный белок AKR4C17F291D, эффективность разложения глифосата которого увеличилась на 70% благодаря анализу структуры фермента и рациональному проектированию.
Анализ активности мутантов AKR4C17 по разложению глифосата.
«Наша работа раскрывает молекулярный механизм катализа разложения глифосата белками AKR4C16 и AKR4C17, что закладывает важную основу для дальнейшей модификации AKR4C16 и AKR4C17 с целью повышения их эффективности разложения глифосата», — сказал ведущий автор статьи, доцент Дай Лунхай из Хубэйского университета. Он добавил, что они создали мутантный белок AKR4C17F291D с улучшенной эффективностью разложения глифосата, что предоставляет важный инструмент для выращивания высокоустойчивых к глифосату трансгенных культур с низким содержанием остатков глифосата и использования микробных инженерных бактерий для разложения глифосата в окружающей среде.
Сообщается, что команда Го Жуйтина долгое время занималась исследованием структурного анализа и обсуждением механизмов действия ферментов биодеградации, терпеноидных синтаз и белков-мишеней для токсичных и вредных веществ в окружающей среде. Ли Хао, научный сотрудник Ян Ю и преподаватель Ху Юмэй из этой команды являются соавторами статьи, а Го Жуйтин и Дай Лунхай — соавторами, ответственными за переписку.
Дата публикации: 02.06.2022