Con una produzione annua di oltre 700.000 tonnellate, il glifosato è l'erbicida più diffuso e diffuso al mondo. La resistenza delle erbe infestanti e le potenziali minacce per l'ambiente e la salute umana causate dall'abuso di glifosato hanno attirato grande attenzione.
Il 29 maggio, il team del professor Guo Ruiting del Laboratorio statale di biocatalisi e ingegneria enzimatica, istituito congiuntamente dalla Facoltà di Scienze della Vita dell'Università di Hubei e dai dipartimenti provinciali e ministeriali, ha pubblicato l'ultimo articolo di ricerca sul Journal of Hazardous Materials, analizzando la prima analisi dell'aldo-cheto reduttasi AKR4C16 e AKR4C17 derivate dall'erba da cortile (una pianta maligna della risaia), che catalizzano il meccanismo di reazione della degradazione del glifosato e ne migliorano notevolmente l'efficienza di degradazione da parte di AKR4C17 attraverso la modifica molecolare.
Crescente resistenza al glifosato.
Fin dalla sua introduzione negli anni '70, il glifosato è diventato popolare in tutto il mondo, diventando gradualmente l'erbicida ad ampio spettro più economico, più utilizzato e più produttivo. Provoca disturbi metabolici nelle piante, comprese le erbe infestanti, inibendo specificamente la 5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato sintasi (EPSPS), un enzima chiave coinvolto nella crescita, nel metabolismo e nella morte delle piante.
Pertanto, la selezione di colture transgeniche resistenti al glifosato e l'utilizzo del glifosato sul campo rappresentano un modo importante per controllare le erbe infestanti nell'agricoltura moderna.
Tuttavia, con l'uso diffuso e l'abuso del glifosato, decine di erbe infestanti si sono gradualmente evolute e hanno sviluppato un'elevata tolleranza al glifosato.
Inoltre, le colture geneticamente modificate resistenti al glifosato non riescono a decomporre il glifosato, con conseguente accumulo e trasferimento del glifosato nelle colture, che può facilmente diffondersi attraverso la catena alimentare e mettere in pericolo la salute umana.
È quindi urgente scoprire geni in grado di degradare il glifosato, in modo da coltivare colture transgeniche altamente resistenti al glifosato e con bassi residui di glifosato.
Risoluzione della struttura cristallina e del meccanismo di reazione catalitica degli enzimi di degradazione del glifosato derivati dalle piante
Nel 2019, team di ricerca cinesi e australiani hanno identificato per la prima volta due aldo-cheto reduttasi che degradano il glifosato, AKR4C16 e AKR4C17, in graminacee resistenti al glifosato. Possono utilizzare il NADP+ come cofattore per degradare il glifosato in acido amminometilfosfonico e acido gliossilico, entrambi non tossici.
AKR4C16 e AKR4C17 sono i primi enzimi di degradazione del glifosato prodotti dall'evoluzione naturale delle piante ad essere segnalati. Per esplorare ulteriormente il meccanismo molecolare della loro degradazione del glifosato, il team di Guo Ruiting ha utilizzato la cristallografia a raggi X per analizzare la relazione tra questi due enzimi e il cofattore elevato. La complessa struttura della risoluzione ha rivelato la modalità di legame del complesso ternario di glifosato, NADP+ e AKR4C17, e ha proposto il meccanismo di reazione catalitica della degradazione del glifosato mediata da AKR4C16 e AKR4C17.
Struttura del complesso AKR4C17/NADP+/glifosato e meccanismo di reazione della degradazione del glifosato.
La modifica molecolare migliora l'efficienza di degradazione del glifosato.
Dopo aver ottenuto il modello strutturale tridimensionale di AKR4C17/NADP+/glifosato, il team del professor Guo Ruiting ha ottenuto una proteina mutante AKR4C17F291D con un aumento del 70% nell'efficienza di degradazione del glifosato attraverso l'analisi della struttura enzimatica e la progettazione razionale.
Analisi dell'attività di degradazione del glifosato dei mutanti AKR4C17.
"Il nostro lavoro rivela il meccanismo molecolare di AKR4C16 e AKR4C17 che catalizza la degradazione del glifosato, il che pone una base importante per l'ulteriore modifica di AKR4C16 e AKR4C17 per migliorare la loro efficienza di degradazione del glifosato". L'autore corrispondente dell'articolo, il professore associato Dai Longhai dell'Università di Hubei, ha affermato di aver costruito una proteina mutante AKR4C17F291D con una migliore efficienza di degradazione del glifosato, che fornisce uno strumento importante per coltivare colture transgeniche altamente resistenti al glifosato con bassi residui di glifosato e utilizzando batteri ingegnerizzati microbicamente per degradare il glifosato nell'ambiente.
È stato riferito che il team di Guo Ruiting è da tempo impegnato nella ricerca sull'analisi strutturale e la discussione dei meccanismi di enzimi di biodegradazione, sintasi terpenoide e proteine bersaglio di sostanze tossiche e nocive nell'ambiente. Li Hao, il ricercatore associato Yang Yu e il docente Hu Yumei del team sono i co-primi autori dell'articolo, mentre Guo Ruiting e Dai Longhai sono i co-autori corrispondenti.
Data di pubblicazione: 02-06-2022