เปิดเผยกลไกโมเลกุลของการย่อยสลายไกลโฟเสตของพืช

ด้วยปริมาณผลผลิตต่อปีมากกว่า 700,000 ตัน ไกลโฟเซตจึงเป็นสารกำจัดวัชพืชที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและมีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก ความต้านทานต่อวัชพืชและภัยคุกคามที่อาจเกิดขึ้นต่อสิ่งแวดล้อมทางนิเวศวิทยาและสุขภาพของมนุษย์ที่เกิดจากการใช้ไกลโฟเซตในทางที่ผิดดึงดูดความสนใจอย่างมาก 

เมื่อวันที่ 29 พฤษภาคม ทีมงานของศาสตราจารย์ Guo Ruiting จากห้องปฏิบัติการหลักของรัฐด้านการเร่งปฏิกิริยาชีวภาพและวิศวกรรมเอนไซม์ ซึ่งจัดตั้งร่วมกันโดยคณะวิทยาศาสตร์ชีวภาพ มหาวิทยาลัยหูเป่ย และหน่วยงานระดับจังหวัดและระดับรัฐมนตรี ได้เผยแพร่ผลงานวิจัยล่าสุดในวารสาร Journal of Hazardous Materials ซึ่งเป็นการวิเคราะห์การวิเคราะห์หญ้าปากคอกเป็นครั้งแรก เอนไซม์ aldo-keto reductase AKR4C16 และ AKR4C17 ที่ได้มาจากหญ้าปากคอก (วัชพืชในนาข้าวที่ร้ายแรง) จะเร่งปฏิกิริยากลไกการย่อยสลายไกลโฟเซต และปรับปรุงประสิทธิภาพการย่อยสลายไกลโฟเซตโดย AKR4C17 อย่างมากโดยการดัดแปลงโมเลกุล

การเจริญเติบโตของความต้านทานต่อไกลโฟเสต

นับตั้งแต่มีการนำมาใช้ในทศวรรษ 1970 ไกลโฟเซตได้รับความนิยมทั่วโลก และค่อยๆ กลายเป็นสารกำจัดวัชพืชสเปกตรัมกว้างที่มีราคาถูกที่สุด ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด และมีประสิทธิผลมากที่สุด สารนี้ทำให้เกิดความผิดปกติของระบบเผาผลาญในพืช รวมถึงวัชพืช โดยยับยั้งเอนไซม์ 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSPS) ซึ่งเป็นเอนไซม์สำคัญที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตและการเผาผลาญของพืชโดยเฉพาะ และทำให้เกิดการตาย

ดังนั้น การปรับปรุงพันธุ์พืชดัดแปลงพันธุกรรมที่ต้านทานไกลโฟเสตและการใช้ไกลโฟเสตในทุ่งนาจึงเป็นวิธีการสำคัญในการควบคุมวัชพืชในเกษตรกรรมสมัยใหม่ 

อย่างไรก็ตาม การใช้และการใช้ไกลโฟเสตในทางที่ผิดอย่างแพร่หลายทำให้วัชพืชหลายสิบชนิดค่อยๆ พัฒนาและพัฒนาระดับความทนทานต่อไกลโฟเสตขึ้น

นอกจากนี้ พืชดัดแปลงพันธุกรรมที่ต้านทานไกลโฟเสตไม่สามารถย่อยสลายไกลโฟเสตได้ ส่งผลให้ไกลโฟเสตสะสมและถ่ายโอนในพืช ซึ่งสามารถแพร่กระจายผ่านห่วงโซ่อาหารและเป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์ได้ 

ดังนั้น จึงเป็นเรื่องเร่งด่วนที่จะต้องค้นพบยีนที่สามารถย่อยสลายไกลโฟเสตได้ เพื่อปลูกพืชดัดแปลงพันธุกรรมที่มีความต้านทานไกลโฟเสตสูงและมีสารตกค้างไกลโฟเสตต่ำ

การแก้ไขโครงสร้างผลึกและกลไกปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ย่อยสลายไกลโฟเซตจากพืช

ในปี 2019 ทีมวิจัยจากจีนและออสเตรเลียได้ระบุเอนไซม์อัลโด-คีโตรีดักเตสที่สามารถย่อยสลายไกลโฟเซตได้ 2 ชนิด ได้แก่ AKR4C16 และ AKR4C17 เป็นครั้งแรกจากหญ้าเลี้ยงสัตว์ที่ต้านทานไกลโฟเซต พวกเขาสามารถใช้ NADP+ เป็นโคแฟกเตอร์ในการย่อยสลายไกลโฟเซตให้เป็นกรดอะมิโนเมทิลฟอสโฟนิกและกรดไกลออกซิลิกที่ไม่เป็นพิษ

AKR4C16 และ AKR4C17 เป็นเอนไซม์ที่ย่อยสลายไกลโฟเสตชนิดแรกที่ได้รับรายงาน ซึ่งผลิตขึ้นจากวิวัฒนาการตามธรรมชาติของพืช เพื่อศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกโมเลกุลของการย่อยสลายไกลโฟเสต ทีมของ Guo Ruiting ได้ใช้ผลึกเอกซ์เรย์เพื่อวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างเอนไซม์ทั้งสองชนิดนี้และโคแฟกเตอร์สูง โครงสร้างที่ซับซ้อนของความละเอียดเผยให้เห็นโหมดการจับกันของสารประกอบเทอร์นารีของไกลโฟเสต NADP+ และ AKR4C17 และเสนอกลไกปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของการย่อยสลายไกลโฟเสตที่เกิดจาก AKR4C16 และ AKR4C17

โครงสร้างของสารเชิงซ้อน AKR4C17/NADP+/ไกลโฟเซต และกลไกการเกิดปฏิกิริยาการย่อยสลายไกลโฟเซต

การดัดแปลงโมเลกุลช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการสลายตัวของไกลโฟเซต

หลังจากได้รับแบบจำลองโครงสร้างสามมิติที่ดีของ AKR4C17/NADP+/ไกลโฟเสต ทีมของศาสตราจารย์ Guo Ruiting ยังได้โปรตีนกลายพันธุ์ AKR4C17F291D ที่มีประสิทธิภาพในการย่อยสลายไกลโฟเสตเพิ่มขึ้น 70% ผ่านการวิเคราะห์โครงสร้างเอนไซม์และการออกแบบที่สมเหตุสมผล

การวิเคราะห์กิจกรรมการย่อยสลายไกลโฟเซตของกลายพันธุ์ AKR4C17

“ผลงานของเราเปิดเผยกลไกโมเลกุลของ AKR4C16 และ AKR4C17 ที่เร่งปฏิกิริยาการย่อยสลายไกลโฟเสต ซึ่งวางรากฐานที่สำคัญสำหรับการดัดแปลงเพิ่มเติมของ AKR4C16 และ AKR4C17 เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการย่อยสลายไกลโฟเสต” รองศาสตราจารย์ Dai Longhai จากมหาวิทยาลัย Hubei ซึ่งเป็นผู้เขียนบทความที่เกี่ยวข้อง กล่าวว่า พวกเขาได้สร้างโปรตีนกลายพันธุ์ AKR4C17F291D ที่มีประสิทธิภาพการย่อยสลายไกลโฟเสตที่ดีขึ้น ซึ่งเป็นเครื่องมือสำคัญในการปลูกพืชดัดแปลงพันธุกรรมที่มีความต้านทานไกลโฟเสตสูงและมีสารตกค้างไกลโฟเสตต่ำ และใช้แบคทีเรียที่ดัดแปลงพันธุกรรมเพื่อย่อยสลายไกลโฟเสตในสิ่งแวดล้อม

มีรายงานว่าทีมงานของ Guo Ruiting ได้ดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับการวิเคราะห์โครงสร้างและการอภิปรายกลไกของเอนไซม์ย่อยสลายทางชีวภาพ สารสังเคราะห์เทอร์พีนอยด์ และโปรตีนเป้าหมายของยาของสารพิษและสารอันตรายในสิ่งแวดล้อมมาเป็นเวลานานแล้ว Li Hao ผู้ช่วยนักวิจัย Yang Yu และอาจารย์ Hu Yumei ในทีมเป็นผู้เขียนร่วมคนแรกของเอกสารนี้ และ Guo Ruiting และ Dai Longhai เป็นผู้เขียนร่วมที่ติดต่อได้