Глифосат, годовой объём производства которого превышает 700 000 тонн, является самым распространённым и самым распространённым гербицидом в мире. Устойчивость сорняков к глифосату и потенциальные угрозы для окружающей среды и здоровья человека, связанные с его злоупотреблением, привлекают большое внимание.
29 мая группа профессора Го Жуйтина из Государственной ключевой лаборатории биокатализа и ферментной инженерии, созданной совместно Школой естественных наук Университета Хубэй и провинциальными и министерскими департаментами, опубликовала в журнале «Journal of Hazardous Materials» новейшую исследовательскую работу, в которой анализируются результаты первого анализа куриного просо (злокачественного сорняка риса). Альдокеторедуктазы AKR4C16 и AKR4C17, полученные из ежовника (злокачественного сорняка риса), катализируют механизм реакции разложения глифосата и значительно повышают эффективность разложения глифосата с помощью AKR4C17 посредством молекулярной модификации.
Растущая устойчивость к глифосату.
С момента своего появления в 1970-х годах глифосат приобрел популярность во всем мире и постепенно стал самым дешевым, широко используемым и эффективным гербицидом широкого спектра действия. Он вызывает нарушения обмена веществ у растений, в том числе сорняков, путём специфического ингибирования 5-енолпирувилшикимат-3-фосфатсинтазы (EPSPS) – ключевого фермента, участвующего в росте и метаболизме растений, и приводит к их гибели.
Поэтому выведение трансгенных культур, устойчивых к глифосату, и использование глифосата в полевых условиях является важным способом борьбы с сорняками в современном сельском хозяйстве.
Однако из-за повсеместного использования и злоупотребления глифосатом десятки сорняков постепенно эволюционировали и развили высокую толерантность к глифосату.
Кроме того, генетически модифицированные культуры, устойчивые к глифосату, не могут разлагать глифосат, что приводит к накоплению и переносу глифосата в культурах, который может легко распространяться по пищевой цепи и представлять опасность для здоровья человека.
Поэтому крайне важно обнаружить гены, способные расщеплять глифосат, чтобы выращивать трансгенные культуры с высокой устойчивостью к глифосату и низким содержанием остатков глифосата.
Определение кристаллической структуры и механизма каталитической реакции ферментов растительного происхождения, разрушающих глифосат
В 2019 году китайские и австралийские исследовательские группы впервые идентифицировали две альдокеторедуктазы, разрушающие глифосат, AKR4C16 и AKR4C17, из устойчивой к глифосату куриной травы. Они могут использовать НАДФ+ в качестве кофактора для разложения глифосата до нетоксичной аминометилфосфоновой и глиоксиловой кислот.
AKR4C16 и AKR4C17 – первые описанные ферменты, разрушающие глифосат, полученные в результате естественной эволюции растений. Для дальнейшего изучения молекулярного механизма их разложения глифосата группа Го Жуйтина использовала рентгеновскую кристаллографию для анализа взаимосвязи между этими двумя ферментами и кофактором high. Сложная структура разрешения выявила способ связывания тройного комплекса глифосата, НАДФ+ и AKR4C17 и предложила механизм каталитической реакции разложения глифосата, опосредованного AKR4C16 и AKR4C17.
Структура комплекса AKR4C17/НАДФ+/глифосат и механизм реакции деградации глифосата.
Молекулярная модификация повышает эффективность разложения глифосата.
После получения точной трехмерной структурной модели AKR4C17/NADP+/глифосата группа профессора Го Жуйтина получила мутантный белок AKR4C17F291D с 70%-ным увеличением эффективности разложения глифосата с помощью анализа структуры фермента и рационального дизайна.
Анализ глифосат-разрушающей активности мутантов AKR4C17.
«Наша работа раскрывает молекулярный механизм катализа разложения глифосата AKR4C16 и AKR4C17, что закладывает важную основу для дальнейшей модификации AKR4C16 и AKR4C17 с целью повышения эффективности разложения глифосата». Автор-корреспондент статьи, доцент Дай Лунхай из Университета Хубэй, сказал, что они сконструировали мутантный белок AKR4C17F291D с улучшенной эффективностью разложения глифосата, что представляет собой важный инструмент для выращивания трансгенных культур с высокой устойчивостью к глифосату и низким содержанием остатков глифосата, а также для использования микробных инженерных бактерий для разложения глифосата в окружающей среде.
Сообщается, что группа Го Жуйтина уже давно занимается исследованиями в области анализа структуры и механизмов действия ферментов биодеградации, терпеноидсинтаз и белков-мишеней лекарственных препаратов, содержащих токсичные и вредные вещества в окружающей среде. Ли Хао, младший научный сотрудник Ян Юй и преподаватель Ху Юмэй являются соавторами статьи, а Го Жуйтин и Дай Лунхай — соавторами.
Время публикации: 02 июня 2022 г.