S roční produkcí přes 700 000 tun je glyfosát nejrozšířenějším a největším herbicidem na světě. Odolnost plevelů a potenciální hrozby pro životní prostředí a lidské zdraví způsobené zneužíváním glyfosátu přitahují velkou pozornost.
Dne 29. května publikoval tým profesora Guo Ruitinga ze Státní klíčové laboratoře biokatalýzy a enzymatického inženýrství, kterou společně založila Škola biologických věd Univerzity Hubei a provinční a ministerské odbory, nejnovější výzkumný článek v časopise Journal of Hazardous Materials, v němž analyzoval první analýzu trávy ovčí. Aldo-keto reduktázy AKR4C16 a AKR4C17 odvozené z rýžové trávy (zhoubný plevel). Katalyzují reakční mechanismus degradace glyfosátu a výrazně zlepšují účinnost degradace glyfosátu pomocí AKR4C17 prostřednictvím molekulární modifikace.
Rostoucí rezistence vůči glyfosátu.
Od svého zavedení v 70. letech 20. století se glyfosát těší popularitě po celém světě a postupně se stal nejlevnějším, nejpoužívanějším a nejproduktivnějším širokospektrým herbicidem. Způsobuje metabolické poruchy v rostlinách, včetně plevelů, specifickou inhibicí 5-enolpyruvylshikimát-3-fosfát syntázy (EPSPS), klíčového enzymu zapojeného do růstu a metabolismu rostlin, a jejich smrt.
Šlechtění transgenních plodin rezistentních vůči glyfosátu a používání glyfosátu na poli je proto důležitým způsobem, jak v moderním zemědělství hubit plevele.
S rozsáhlým používáním a zneužíváním glyfosátu se však postupně vyvinuly desítky plevelů, které si vůči němu rozvinuly vysokou toleranci.
Geneticky modifikované plodiny odolné vůči glyfosátu navíc nemohou glyfosát rozkládat, což vede k hromadění a přenosu glyfosátu v plodinách, který se může snadno šířit potravním řetězcem a ohrozit lidské zdraví.
Proto je naléhavě nutné objevit geny, které dokáží degradovat glyfosát, aby bylo možné pěstovat transgenní plodiny s vysokou odolností vůči glyfosátu a nízkým obsahem zbytků glyfosátu.
Řešení krystalové struktury a mechanismu katalytické reakce enzymů degradujících glyfosát rostlinného původu
V roce 2019 čínské a australské výzkumné týmy poprvé identifikovaly dvě aldo-keto reduktázy degradující glyfosát, AKR4C16 a AKR4C17, z trávy chocholaté rezistentní vůči glyfosátu. NADP+ mohou použít jako kofaktor k degradaci glyfosátu na netoxickou kyselinu aminomethylfosfonovou a kyselinu glyoxylovou.
AKR4C16 a AKR4C17 jsou první popsané enzymy degradující glyfosát, které vznikají přirozenou evolucí rostlin. Aby se dále prozkoumal molekulární mechanismus degradace glyfosátu, tým Guo Ruitinga použil rentgenovou krystalografii k analýze vztahu mezi těmito dvěma enzymy a kofaktorem high. Komplexní struktura rozlišení odhalila vazebný způsob ternárního komplexu glyfosátu, NADP+ a AKR4C17 a navrhla katalytický reakční mechanismus degradace glyfosátu zprostředkované AKR4C16 a AKR4C17.
Struktura komplexu AKR4C17/NADP+/glyfosát a reakční mechanismus degradace glyfosátu.
Molekulární modifikace zlepšuje účinnost degradace glyfosátu.
Poté, co tým profesora Guo Ruitinga získal jemný trojrozměrný strukturní model AKR4C17/NADP+/glyfosátu, získal pomocí analýzy enzymové struktury a racionálního designu mutantní protein AKR4C17F291D se 70% zvýšením účinnosti degradace glyfosátu.
Analýza aktivity mutantů AKR4C17 degradující glyfosát.
„Naše práce odhaluje molekulární mechanismus, jakým AKR4C16 a AKR4C17 katalyzují degradaci glyfosátu, což pokládá důležitý základ pro další modifikaci AKR4C16 a AKR4C17 za účelem zlepšení jejich degradační účinnosti glyfosátu.“ Odpovídající autor článku, docent Dai Longhai z Univerzity Hubei, uvedl, že zkonstruovali mutantní protein AKR4C17F291D se zlepšenou účinností degradace glyfosátu, který poskytuje důležitý nástroj pro pěstování transgenních plodin s vysokou odolností vůči glyfosátu s nízkým obsahem zbytků glyfosátu a pro využití mikrobiálně inženýrských bakterií k degradaci glyfosátu v životním prostředí.
Uvádí se, že tým Guo Ruitinga se dlouhodobě zabývá výzkumem strukturní analýzy a diskusí mechanismů biodegradačních enzymů, terpenoidních syntáz a cílových proteinů léčiv toxických a škodlivých látek v životním prostředí. Li Hao, přidružený výzkumník Yang Yu a přednášející Hu Yumei v týmu jsou spoluautory prvních článků a Guo Ruiting a Dai Longhai jsou spoluautory v rámci korespondence.
Čas zveřejnění: 2. června 2022