Met een jaarlijkse productie van meer dan 700.000 ton is glyfosaat het meest gebruikte en meest gebruikte herbicide ter wereld. De onkruidresistentie en de potentiële bedreigingen voor het milieu en de menselijke gezondheid als gevolg van het misbruik van glyfosaat hebben veel aandacht getrokken.
Op 29 mei publiceerde het team van professor Guo Ruiting van het State Key Laboratory of Biocatalysis and Enzyme Engineering, gezamenlijk opgericht door de School of Life Sciences van de Universiteit van Hubei en de provinciale en ministeriële afdelingen, het nieuwste onderzoeksartikel in het Journal of Hazardous Materials, waarin de eerste analyse van gierstgras wordt geanalyseerd. De aldo-keto-reductase AKR4C16 en AKR4C17, afkomstig van gierstgras (een kwaadaardige rijstonkruidsoort), katalyseren het reactiemechanisme van de afbraak van glyfosaat en verbeteren de afbraakefficiëntie van glyfosaat door AKR4C17 aanzienlijk door middel van moleculaire modificatie.
Groeiende resistentie tegen glyfosaat.
Sinds de introductie in de jaren 70 is glyfosaat wereldwijd populair geworden en is het geleidelijk uitgegroeid tot het goedkoopste, meest gebruikte en meest productieve breedwerkende herbicide. Het veroorzaakt stofwisselingsstoornissen in planten, waaronder onkruid, door specifiek 5-enolpyruvylshikimaat-3-fosfaatsynthase (EPSPS) te remmen, een belangrijk enzym dat betrokken is bij de groei en stofwisseling van planten. Het kan leiden tot sterfte en kan leiden tot metabole stoornissen.
Het kweken van genetisch gemodificeerde gewassen die resistent zijn tegen glyfosaat en het gebruik van glyfosaat in de landbouw zijn daarom belangrijke manieren om onkruid in de moderne landbouw te bestrijden.
Door het wijdverbreide gebruik en misbruik van glyfosaat zijn er echter geleidelijk tientallen onkruidsoorten ontstaan die een hoge tolerantie voor glyfosaat hebben ontwikkeld.
Bovendien kunnen genetisch gemodificeerde gewassen die resistent zijn tegen glyfosaat, glyfosaat niet afbreken. Hierdoor hoopt glyfosaat zich op en verspreidt het zich gemakkelijk via de voedselketen, wat een gevaar vormt voor de gezondheid van de mens.
Daarom is het dringend noodzakelijk om genen te ontdekken die glyfosaat kunnen afbreken, zodat we transgene gewassen kunnen verbouwen die zeer resistent zijn tegen glyfosaat en die weinig glyfosaatresiduen bevatten.
Het oplossen van de kristalstructuur en het katalytische reactiemechanisme van plantaardige glyfosaat-afbrekende enzymen
In 2019 identificeerden Chinese en Australische onderzoeksteams voor het eerst twee glyfosaatafbrekende aldo-keto-reductasen, AKR4C16 en AKR4C17, in glyfosaatresistent gierstgras. Ze kunnen NADP+ als cofactor gebruiken om glyfosaat af te breken tot het niet-toxische aminomethylfosfonzuur en glyoxylzuur.
AKR4C16 en AKR4C17 zijn de eerste gerapporteerde glyfosaatafbrekende enzymen die door de natuurlijke evolutie van planten zijn geproduceerd. Om het moleculaire mechanisme van hun afbraak van glyfosaat verder te onderzoeken, gebruikte het team van Guo Ruiting röntgenkristallografie om de relatie tussen deze twee enzymen en de hoge cofactor te analyseren. De complexe structuur van de resolutie onthulde de bindingswijze van het ternaire complex van glyfosaat, NADP+ en AKR4C17, en stelde het katalytische reactiemechanisme van AKR4C16- en AKR4C17-gemedieerde glyfosaatafbraak voor.
Structuur van het AKR4C17/NADP+/glyfosaatcomplex en reactiemechanisme van glyfosaatafbraak.
Moleculaire modificatie verbetert de afbraakefficiëntie van glyfosaat.
Nadat het team van professor Guo Ruiting het nauwkeurige driedimensionale structuurmodel van AKR4C17/NADP+/glyfosaat had verkregen, wist het ook een mutant eiwit, AKR4C17F291D, te verkrijgen met een 70% hogere afbraakefficiëntie van glyfosaat dankzij enzymstructuuranalyse en rationeel ontwerp.
Analyse van de glyfosaatafbrekende activiteit van AKR4C17-mutanten.
"Ons werk onthult het moleculaire mechanisme van AKR4C16 en AKR4C17 dat de afbraak van glyfosaat katalyseert, wat een belangrijke basis legt voor de verdere modificatie van AKR4C16 en AKR4C17 om hun afbraakefficiëntie van glyfosaat te verbeteren." De corresponderende auteur van het artikel, universitair hoofddocent Dai Longhai van de Universiteit van Hubei, zei dat ze een mutant eiwit AKR4C17F291D hebben geconstrueerd met een verbeterde afbraakefficiëntie van glyfosaat, wat een belangrijk hulpmiddel biedt voor het kweken van zeer glyfosaat-resistente transgene gewassen met lage glyfosaatresiduen en het gebruik van microbiële engineeringbacteriën om glyfosaat in het milieu af te breken.
Het team van Guo Ruiting is naar verluidt al lange tijd bezig met onderzoek naar de structuuranalyse en mechanismediscussie van biodegradatie-enzymen, terpenoïde synthasen en doelwitproteïnen voor geneesmiddelen van toxische en schadelijke stoffen in het milieu. Li Hao, universitair hoofddocent Yang Yu en docent Hu Yumei in het team zijn de co-eerste auteurs van het artikel, en Guo Ruiting en Dai Longhai zijn de co-corresponderende auteurs.
Plaatsingstijd: 02-06-2022