Met een jaarlijkse productie van meer dan 700.000 ton is glyfosaat het meest gebruikte en grootste herbicide ter wereld. Onkruidresistentie en de potentiële bedreigingen voor het ecologische milieu en de menselijke gezondheid als gevolg van misbruik van glyfosaat hebben veel aandacht gekregen.
Op 29 mei publiceerde het team van professor Guo Ruiting van het State Key Laboratory of Biocatalysis and Enzyme Engineering, een gezamenlijk initiatief van de School of Life Sciences van de Hubei Universiteit en provinciale en ministeriële departementen, een nieuw onderzoeksartikel in het Journal of Hazardous Materials. Hierin werd voor het eerst aangetoond dat de aldo-keto-reductases AKR4C16 en AKR4C17, afkomstig van hanenpootgras (een kwaadaardig rijstonkruid), het reactiemechanisme van de glyfosaatafbraak katalyseren en dat de afbraakefficiëntie van glyfosaat door AKR4C17 aanzienlijk is verbeterd door middel van moleculaire modificatie.
Toenemende resistentie tegen glyfosaat.
Sinds de introductie in de jaren 70 is glyfosaat wereldwijd populair geworden en geleidelijk uitgegroeid tot het goedkoopste, meest gebruikte en meest effectieve breedspectrumherbicide. Het veroorzaakt stofwisselingsstoornissen in planten, waaronder onkruid, door specifiek 5-enolpyruvylshikimaat-3-fosfaatsynthase (EPSPS) te remmen, een belangrijk enzym dat betrokken is bij plantengroei en -metabolisme.
Het kweken van glyfosaatresistente transgene gewassen en het gebruik van glyfosaat op het veld is daarom een belangrijke manier om onkruid in de moderne landbouw te bestrijden.
Door het wijdverbreide gebruik en misbruik van glyfosaat hebben tientallen onkruidsoorten zich echter geleidelijk ontwikkeld en een hoge tolerantie voor glyfosaat ontwikkeld.
Bovendien kunnen genetisch gemodificeerde gewassen die resistent zijn tegen glyfosaat glyfosaat niet afbreken, waardoor glyfosaat zich ophoopt en via de gewassen wordt overgedragen. Dit kan zich gemakkelijk via de voedselketen verspreiden en de menselijke gezondheid in gevaar brengen.
Het is daarom van groot belang om genen te ontdekken die glyfosaat kunnen afbreken, zodat er genetisch gemodificeerde gewassen met een hoge glyfosaatresistentie en lage glyfosaatresiduen kunnen worden geteeld.
Het ophelderen van de kristalstructuur en het katalytische reactiemechanisme van plantaardige enzymen die glyfosaat afbreken.
In 2019 identificeerden Chinese en Australische onderzoeksteams voor het eerst twee glyfosaat-afbrekende aldo-keto-reductasen, AKR4C16 en AKR4C17, in glyfosaatresistent hanenpootgras. Deze enzymen kunnen NADP+ als cofactor gebruiken om glyfosaat af te breken tot niet-toxisch aminomethylfosfonzuur en glyoxylzuur.
AKR4C16 en AKR4C17 zijn de eerste gerapporteerde glyfosaat-afbrekende enzymen die door natuurlijke evolutie in planten zijn geproduceerd. Om het moleculaire mechanisme van hun glyfosaatafbraak verder te onderzoeken, gebruikte het team van Guo Ruiting röntgenkristallografie om de relatie tussen deze twee enzymen en cofactor high te analyseren. De complexe structuur die door de resolutie werd verkregen, onthulde de bindingswijze van het ternaire complex van glyfosaat, NADP+ en AKR4C17, en stelde het katalytische reactiemechanisme voor van de door AKR4C16 en AKR4C17 gemedieerde glyfosaatafbraak.
Structuur van het AKR4C17/NADP+/glyphosaat-complex en reactiemechanisme van de glyfosaat-afbraak.
Moleculaire modificatie verbetert de afbraakefficiëntie van glyfosaat.
Na het verkrijgen van een gedetailleerd driedimensionaal structuurmodel van AKR4C17/NADP+/glyphosaat, heeft het team van professor Guo Ruiting via enzymstructuuranalyse en rationeel ontwerp een mutant eiwit, AKR4C17F291D, ontwikkeld met een 70% hogere afbraakefficiëntie van glyfosaat.
Analyse van de glyfosaat-afbrekende activiteit van AKR4C17-mutanten.
"Ons onderzoek onthult het moleculaire mechanisme waarmee AKR4C16 en AKR4C17 de afbraak van glyfosaat katalyseren. Dit vormt een belangrijke basis voor verdere modificatie van AKR4C16 en AKR4C17 om hun afbraakefficiëntie van glyfosaat te verbeteren." Hoofdauteur van het artikel, universitair hoofddocent Dai Longhai van de Universiteit van Hubei, zei dat ze een gemuteerd eiwit, AKR4C17F291D, hebben geconstrueerd met een verbeterde glyfosaatafbraakefficiëntie. Dit biedt een belangrijk hulpmiddel voor het kweken van zeer glyfosaatresistente transgene gewassen met lage glyfosaatresiduen en voor het gebruik van microbiële modificatiebacteriën om glyfosaat in het milieu af te breken.
Naar verluidt houdt het team van Guo Ruiting zich al lange tijd bezig met onderzoek naar de structuuranalyse en mechanismebespreking van biodegradatie-enzymen, terpenoïdesynthasen en geneesmiddeldoeleiwitten van giftige en schadelijke stoffen in het milieu. Li Hao, onderzoeker Yang Yu en docent Hu Yumei van het team zijn de co-eerste auteurs van het artikel, terwijl Guo Ruiting en Dai Longhai de co-corresponderende auteurs zijn.
Geplaatst op: 2 juni 2022