مکانیسم مولکولی تجزیه گلیفوزات توسط گیاهان آشکار شد

با تولید سالانه بیش از ۷۰۰۰۰۰ تن، گلیفوزات پرکاربردترین و بزرگترین علف‌کش در جهان است. مقاومت علف‌های هرز و تهدیدات بالقوه برای محیط زیست و سلامت انسان ناشی از سوء مصرف گلیفوزات، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. 

در تاریخ 29 مه، تیم پروفسور گوئو رویتینگ از آزمایشگاه کلیدی ایالتی بیوکاتالیز و مهندسی آنزیم، که به طور مشترک توسط دانشکده علوم زیستی دانشگاه هوبئی و ادارات استانی و وزارتخانه تأسیس شده است، آخرین مقاله تحقیقاتی را در مجله مواد خطرناک منتشر کرد که در آن اولین تجزیه و تحلیل علف هرز (یک علف هرز مضر شالیزار) مشتق شده از آلدو-کتو ردوکتاز AKR4C16 و AKR4C17 که مکانیسم واکنش تجزیه گلیفوزات را کاتالیز می‌کنند، بررسی شده و از طریق اصلاح مولکولی، راندمان تجزیه گلیفوزات توسط AKR4C17 را تا حد زیادی بهبود بخشیده است.

افزایش مقاومت در برابر گلیفوزات.

از زمان معرفی آن در دهه 1970، گلیفوسیت در سراسر جهان محبوب بوده و به تدریج به ارزان‌ترین، پرکاربردترین و پربازده‌ترین علف‌کش طیف گسترده تبدیل شده است. این علف‌کش با مهار اختصاصی 5-انول‌پیروویل‌شیکیمات-3-فسفات سنتاز (EPSPS)، یک آنزیم کلیدی دخیل در رشد و متابولیسم گیاه، باعث اختلالات متابولیکی در گیاهان، از جمله علف‌های هرز، و مرگ آنها می‌شود.

بنابراین، اصلاح نژاد محصولات تراریخته مقاوم به گلیفوسیت و استفاده از گلیفوسیت در مزرعه، روشی مهم برای کنترل علف‌های هرز در کشاورزی مدرن است. 

با این حال، با استفاده و سوء استفاده گسترده از گلیفوزات، ده‌ها علف هرز به تدریج تکامل یافته و تحمل بالایی نسبت به گلیفوزات پیدا کرده‌اند.

علاوه بر این، محصولات اصلاح ژنتیکی شده مقاوم به گلیفوزات نمی‌توانند گلیفوزات را تجزیه کنند و در نتیجه باعث تجمع و انتقال گلیفوزات در محصولات می‌شوند که می‌تواند به راحتی از طریق زنجیره غذایی گسترش یابد و سلامت انسان را به خطر بیندازد. 

بنابراین، کشف ژن‌هایی که می‌توانند گلیفوزات را تجزیه کنند، ضروری است تا بتوان محصولات تراریخته مقاوم به گلیفوزات با باقیمانده کم گلیفوزات را کشت کرد.

حل ساختار بلوری و مکانیسم واکنش کاتالیزوری آنزیم‌های تجزیه‌کننده گلیفوزات مشتق‌شده از گیاه

در سال ۲۰۱۹، تیم‌های تحقیقاتی چینی و استرالیایی برای اولین بار دو آلدو-کتو ردوکتاز تجزیه‌کننده گلیفوزات، AKR4C16 و AKR4C17، را از علف هرز مقاوم به گلیفوزات شناسایی کردند. آن‌ها می‌توانند از NADP+ به عنوان کوفاکتور برای تجزیه گلیفوزات به اسید آمینومتیل فسفونیک غیرسمی و اسید گلیوکسیلیک استفاده کنند.

AKR4C16 و AKR4C17 اولین آنزیم‌های تجزیه‌کننده گلیفوزات گزارش‌شده هستند که توسط تکامل طبیعی گیاهان تولید شده‌اند. به منظور بررسی بیشتر مکانیسم مولکولی تجزیه گلیفوزات توسط آنها، تیم گوئو رویتینگ از کریستالوگرافی اشعه ایکس برای تجزیه و تحلیل رابطه بین این دو آنزیم و کوفاکتور بالا استفاده کرد. ساختار پیچیده تفکیک، حالت اتصال کمپلکس سه‌تایی گلیفوزات، NADP+ و AKR4C17 را نشان داد و مکانیسم واکنش کاتالیزوری تجزیه گلیفوزات با واسطه AKR4C16 و AKR4C17 را پیشنهاد کرد.

ساختار کمپلکس AKR4C17/NADP+/گلیفوزات و مکانیسم واکنش تجزیه گلیفوزات.

اصلاح مولکولی، راندمان تخریب گلیفوزات را بهبود می‌بخشد.

پس از به دست آوردن مدل ساختاری سه‌بعدی دقیق AKR4C17/NADP+/گلایفوسیت، تیم پروفسور گوئو رویتینگ از طریق تجزیه و تحلیل ساختار آنزیم و طراحی منطقی، پروتئین جهش‌یافته AKR4C17F291D را با افزایش 70 درصدی در راندمان تخریب گلایفوسیت به دست آورد.

تجزیه و تحلیل فعالیت تجزیه گلیفوزات جهش‌یافته‌های AKR4C17.

«کار ما مکانیسم مولکولی کاتالیز تخریب گلیفوسات توسط AKR4C16 و AKR4C17 را آشکار می‌کند که پایه و اساس مهمی برای اصلاح بیشتر AKR4C16 و AKR4C17 برای بهبود راندمان تخریب گلیفوسات توسط آنها فراهم می‌کند.» نویسنده مسئول مقاله، دانشیار دای لونگهای از دانشگاه هوبئی، گفت که آنها یک پروتئین جهش‌یافته AKR4C17F291D با راندمان تخریب گلیفوسات بهبود یافته ساخته‌اند که ابزاری مهم برای کشت محصولات تراریخته مقاوم به گلیفوسات با باقیمانده گلیفوسات کم و استفاده از باکتری‌های مهندسی میکروبی برای تجزیه گلیفوسات در محیط فراهم می‌کند.

گزارش شده است که تیم گوئو رویتینگ مدت‌هاست که مشغول تحقیق در مورد تجزیه و تحلیل ساختار و بحث مکانیسم آنزیم‌های تجزیه زیستی، ترپنوئید سنتازها و پروتئین‌های هدف دارویی مواد سمی و مضر در محیط زیست است. لی هائو، محقق همکار یانگ یو و مدرس هو یومی در این تیم نویسندگان مشترک این مقاله هستند و گوئو رویتینگ و دای لونگهای نویسندگان همکار مسئول هستند.