Con una produzione annua di oltre 700.000 tonnellate, il glifosato è l'erbicida più utilizzato 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 chiave 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 un recente articolo di ricerca sulla rivista "Journal of Hazardous Materials", che analizza per la prima volta l'aldo-cheto reduttasi AKR4C16 e AKR4C17 derivate dall'Echinochloa crus-galli (una pianta infestante maligna del riso). Queste proteine catalizzano il meccanismo di reazione della degradazione del glifosato e, attraverso una modifica molecolare, ne migliorano notevolmente l'efficienza di degradazione.
Crescente resistenza al glifosato.
Fin dalla sua introduzione negli anni '70, il glifosato è diventato popolare in tutto il mondo, affermandosi gradualmente come l'erbicida ad ampio spettro più economico, più diffuso e più produttivo. Causa disturbi metabolici nelle piante, comprese le erbe infestanti, inibendo specificamente la 5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato sintasi (EPSPS), un enzima chiave coinvolto nella crescita e nel metabolismo delle piante.
Pertanto, la selezione di colture transgeniche resistenti al glifosato e l'utilizzo del glifosato in campo rappresentano un metodo importante per il controllo delle 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 a questa sostanza.
Inoltre, le colture geneticamente modificate resistenti al glifosato non sono in grado di decomporre il glifosato, con conseguente accumulo e trasferimento di questa sostanza nelle colture, che può facilmente diffondersi lungo la catena alimentare e mettere a rischio la salute umana.
Pertanto, è urgente scoprire i geni in grado di degradare il glifosato, al fine di coltivare colture transgeniche altamente resistenti al glifosato e con bassi residui di questa sostanza.
Determinazione della struttura cristallina e del meccanismo di reazione catalitica degli enzimi di origine vegetale che degradano il glifosato.
Nel 2019, gruppi di ricerca cinesi e australiani hanno identificato per la prima volta due aldo-cheto reduttasi in grado di degradare il glifosato, AKR4C16 e AKR4C17, nell'Echinochloa crus-galli, una pianta resistente al glifosato. Queste proteine utilizzano il NADP+ come cofattore per degradare il glifosato in acido aminometilfosfonico e acido gliossilico, entrambi non tossici.
AKR4C16 e AKR4C17 sono i primi enzimi in grado di degradare il glifosato, prodotti dall'evoluzione naturale delle piante. Per approfondire il meccanismo molecolare della loro degradazione, il team di Guo Ruiting ha utilizzato la cristallografia a raggi X per analizzare la relazione tra questi due enzimi e il cofattore. La complessa struttura ottenuta ha rivelato la modalità di legame del complesso ternario formato da 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 modificazione molecolare migliora l'efficienza di degradazione del glifosato.
Dopo aver ottenuto il modello strutturale tridimensionale preciso di AKR4C17/NADP+/glifosato, il team del professor Guo Ruiting ha ulteriormente 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 con cui AKR4C16 e AKR4C17 catalizzano la degradazione del glifosato, ponendo così le basi per un'ulteriore modifica di AKR4C16 e AKR4C17 al fine di migliorarne l'efficienza di degradazione." 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 maggiore efficienza di degradazione del glifosato, che rappresenta uno strumento importante per la coltivazione di colture transgeniche altamente resistenti al glifosato con bassi residui di glifosato e per l'utilizzo di batteri geneticamente modificati per degradare il glifosato nell'ambiente.
Secondo quanto riportato, il team di Guo Ruiting è da tempo impegnato nella ricerca sull'analisi strutturale e sulla discussione dei meccanismi degli enzimi di biodegradazione, delle terpenoidi sintasi e delle proteine bersaglio dei farmaci per le sostanze tossiche e nocive presenti nell'ambiente. Li Hao, il ricercatore associato Yang Yu e la docente Hu Yumei, membri del team, sono i primi autori congiunti dell'articolo, mentre Guo Ruiting e Dai Longhai sono gli autori corrispondenti congiunti.
Data di pubblicazione: 02-06-2022