กลไกทางโมเลกุลของการย่อยสลายไกลโฟเสตโดยพืชได้รับการเปิดเผยแล้ว

ด้วยปริมาณการผลิตต่อปีมากกว่า 700,000 ตัน ไกลโฟเสตจึงเป็นสารกำจัดวัชพืชที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและมีปริมาณมากที่สุดในโลก ปัญหาการดื้อยาของวัชพืชและภัยคุกคามที่อาจเกิดขึ้นต่อระบบนิเวศและสุขภาพของมนุษย์อันเนื่องมาจากการใช้ไกลโฟเสตอย่างไม่เหมาะสม ได้รับความสนใจอย่างมาก 

เมื่อวันที่ 29 พฤษภาคม ทีมของศาสตราจารย์กัว รุ่ยติง จากห้องปฏิบัติการหลักแห่งรัฐด้านชีวเร่งปฏิกิริยาและวิศวกรรมเอนไซม์ ซึ่งจัดตั้งร่วมกันโดยคณะวิทยาศาสตร์ชีวภาพ มหาวิทยาลัยหูเป่ย และหน่วยงานระดับจังหวัดและกระทรวง ได้ตีพิมพ์บทความวิจัยล่าสุดในวารสาร Journal of Hazardous Materials โดยวิเคราะห์เป็นครั้งแรกว่า อัลโด-คีโต รีดักเทส AKR4C16 และ AKR4C17 ที่ได้จากหญ้าข้าวนก (วัชพืชร้ายในนาข้าว) สามารถเร่งปฏิกิริยาการย่อยสลายไกลโฟเสตได้ และ AKR4C17 ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการย่อยสลายไกลโฟเสตอย่างมากผ่านการดัดแปลงโมเลกุล

การดื้อต่อสารไกลโฟเสตเพิ่มมากขึ้น

นับตั้งแต่มีการนำไกลโฟเสตมาใช้ในทศวรรษ 1970 ไกลโฟเสตได้รับความนิยมไปทั่วโลก และค่อยๆ กลายเป็นสารกำจัดวัชพืชแบบครอบคลุมที่ราคาถูกที่สุด ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด และมีประสิทธิภาพมากที่สุด มันทำให้เกิดความผิดปกติทางเมตาบอลิซึมในพืช รวมถึงวัชพืช โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยการยับยั้งเอนไซม์ 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSPS) ซึ่งเป็นเอนไซม์สำคัญที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตและเมตาบอลิซึมของพืช และนำไปสู่การตายของพืช

ดังนั้น การพัฒนาพืชดัดแปลงพันธุกรรมที่ต้านทานต่อไกลโฟเสตและการใช้ไกลโฟเสตในแปลงปลูกจึงเป็นวิธีสำคัญในการควบคุมวัชพืชในเกษตรกรรมสมัยใหม่ 

อย่างไรก็ตาม ด้วยการใช้และการใช้สารไกลโฟเสตอย่างแพร่หลายและไม่เหมาะสม ทำให้วัชพืชหลายสิบชนิดค่อยๆ พัฒนาความทนทานต่อสารไกลโฟเสตในระดับสูง

นอกจากนี้ พืชดัดแปลงพันธุกรรมที่ต้านทานต่อไกลโฟเสตไม่สามารถย่อยสลายไกลโฟเสตได้ ส่งผลให้ไกลโฟเสตสะสมและถ่ายทอดไปยังพืช ซึ่งสามารถแพร่กระจายผ่านห่วงโซ่อาหารและเป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์ได้ง่าย 

ดังนั้น จึงมีความเร่งด่วนในการค้นหายีนที่สามารถย่อยสลายไกลโฟเสตได้ เพื่อที่จะเพาะปลูกพืชดัดแปลงพันธุกรรมที่มีความต้านทานต่อไกลโฟเสตสูงและมีสารตกค้างของไกลโฟเสตต่ำ

การไขปริศนาโครงสร้างผลึกและกลไกปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ย่อยสลายไกลโฟเสตที่ได้จากพืช

ในปี 2019 ทีมวิจัยจากจีนและออสเตรเลียได้ระบุเอนไซม์อัลโด-คีโตรีดักเทสที่ย่อยสลายไกลโฟเสตได้ 2 ชนิด คือ AKR4C16 และ AKR4C17 เป็นครั้งแรกจากหญ้าข้าวนกที่ต้านทานไกลโฟเสต เอนไซม์เหล่านี้สามารถใช้ NADP+ เป็นโคแฟคเตอร์ในการย่อยสลายไกลโฟเสตให้กลายเป็นกรดอะมิโนเมทิลฟอสโฟนิกและกรดไกลออกซิลิกซึ่งไม่เป็นพิษ

AKR4C16 และ AKR4C17 เป็นเอนไซม์ย่อยสลายไกลโฟเสตชนิดแรกที่ถูกรายงานว่าเกิดขึ้นจากการวิวัฒนาการตามธรรมชาติของพืช เพื่อศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกทางโมเลกุลของการย่อยสลายไกลโฟเสต ทีมของกัว รุ่ยติง ได้ใช้เทคนิคการตกผลึกด้วยรังสีเอกซ์เพื่อวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างเอนไซม์ทั้งสองชนิดนี้กับโคแฟคเตอร์ โครงสร้างเชิงซ้อนที่ได้จากการวิเคราะห์เผยให้เห็นรูปแบบการจับกันของสารประกอบเชิงซ้อนสามส่วนระหว่างไกลโฟเสต, NADP+ และ AKR4C17 และได้เสนอถึงกลไกการเร่งปฏิกิริยาการย่อยสลายไกลโฟเสตโดย AKR4C16 และ AKR4C17

โครงสร้างของสารเชิงซ้อน AKR4C17/NADP+/ไกลโฟเสต และกลไกการเกิดปฏิกิริยาการย่อยสลายไกลโฟเสต

การดัดแปลงโครงสร้างระดับโมเลกุลช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการย่อยสลายไกลโฟเสต

หลังจากที่ทีมของศาสตราจารย์กัว รุ่ยติงได้แบบจำลองโครงสร้างสามมิติที่ละเอียดของ AKR4C17/NADP+/ไกลโฟเสตแล้ว พวกเขายังได้โปรตีนกลายพันธุ์ AKR4C17F291D ที่มีประสิทธิภาพในการย่อยสลายไกลโฟเสตเพิ่มขึ้น 70% ผ่านการวิเคราะห์โครงสร้างเอนไซม์และการออกแบบอย่างมีเหตุผล

การวิเคราะห์กิจกรรมการย่อยสลายไกลโฟเสตของ AKR4C17 กลายพันธุ์

“งานวิจัยของเราเผยให้เห็นกลไกทางโมเลกุลของ AKR4C16 และ AKR4C17 ในการเร่งปฏิกิริยาการย่อยสลายไกลโฟเสต ซึ่งวางรากฐานที่สำคัญสำหรับการดัดแปลง AKR4C16 และ AKR4C17 เพิ่มเติมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการย่อยสลายไกลโฟเสต” รองศาสตราจารย์ได หลงไห่ จากมหาวิทยาลัยหูเป่ย ผู้เขียนหลักของบทความ กล่าวว่า พวกเขาได้สร้างโปรตีนกลายพันธุ์ AKR4C17F291D ที่มีประสิทธิภาพการย่อยสลายไกลโฟเสตดีขึ้น ซึ่งเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการเพาะปลูกพืชดัดแปลงพันธุกรรมที่ต้านทานไกลโฟเสตสูงและมีสารตกค้างไกลโฟเสตต่ำ และการใช้แบคทีเรียวิศวกรรมจุลินทรีย์ในการย่อยสลายไกลโฟเสตในสิ่งแวดล้อม

มีรายงานว่าทีมของกัว รุ่ยติง ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับการวิเคราะห์โครงสร้างและกลไกการทำงานของเอนไซม์ย่อยสลายทางชีวภาพ เอนไซม์สังเคราะห์เทอร์พีนอยด์ และโปรตีนเป้าหมายของยาต่อสารพิษและสารอันตรายในสิ่งแวดล้อมมาเป็นเวลานานแล้ว โดยหลี่ ห่าว นักวิจัยร่วม หยาง หยู และอาจารย์ หู หยูเหม่ย ในทีม เป็นผู้เขียนร่วมคนแรก และกัว รุ่ยติง กับไต้ หลงไห่ เป็นผู้เขียนร่วมที่ทำหน้าที่ประสานงาน