เปิดเผยกลไกโมเลกุลของการย่อยสลายไกลโฟเซตของพืช

ด้วยปริมาณผลผลิตต่อปีมากกว่า 700,000 ตัน ไกลโฟเซตจึงเป็นสารกำจัดวัชพืชที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและมีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก ความต้านทานวัชพืชและภัยคุกคามที่อาจเกิดขึ้นต่อระบบนิเวศและสุขภาพของมนุษย์อันเนื่องมาจากการใช้ไกลโฟเซตในทางที่ผิดได้รับความสนใจอย่างมาก 

เมื่อวันที่ 29 พฤษภาคม ทีมงานของศาสตราจารย์ Guo Ruiting จากห้องปฏิบัติการชีวเร่งปฏิกิริยาและวิศวกรรมเอนไซม์ของรัฐ ซึ่งก่อตั้งร่วมกันโดยคณะวิทยาศาสตร์ชีวภาพ มหาวิทยาลัยหูเป่ย และหน่วยงานระดับจังหวัดและระดับกระทรวง ได้เผยแพร่บทความวิจัยล่าสุดในวารสาร Journal of Hazardous Materials โดยวิเคราะห์การวิเคราะห์หญ้านาข้าว (วัชพืชในนาข้าวที่เป็นพิษ) เป็นครั้งแรก เอนไซม์อัลโด-คีโตรีดักเทส AKR4C16 และ AKR4C17 ที่ได้มาจากเอนไซม์ดังกล่าว ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาการย่อยสลายไกลโฟเซต และช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการย่อยสลายไกลโฟเซตโดย AKR4C17 อย่างมาก ผ่านการดัดแปลงโมเลกุล

การเจริญเติบโตของความต้านทานต่อไกลโฟเซต

นับตั้งแต่มีการนำมาใช้ในทศวรรษ 1970 ไกลโฟเซตได้รับความนิยมไปทั่วโลก และค่อยๆ กลายเป็นสารกำจัดวัชพืชแบบกว้างสเปกตรัมที่ราคาถูกที่สุด ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด และมีประสิทธิผลสูงสุด ไกลโฟเซตก่อให้เกิดความผิดปกติของระบบเผาผลาญในพืช รวมถึงวัชพืช โดยยับยั้งเอนไซม์ 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSPS) ซึ่งเป็นเอนไซม์สำคัญที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตและการเผาผลาญของพืช และยับยั้งการตายของพืช

ดังนั้น การปรับปรุงพันธุ์พืชดัดแปลงพันธุกรรมที่ต้านทานไกลโฟเสตและการใช้ไกลโฟเสตในทุ่งนาจึงเป็นวิธีสำคัญในการควบคุมวัชพืชในเกษตรกรรมสมัยใหม่ 

อย่างไรก็ตาม การใช้ไกลโฟเสตอย่างแพร่หลายและการใช้ในทางที่ผิดทำให้วัชพืชหลายสิบชนิดมีวิวัฒนาการและพัฒนาความทนทานต่อไกลโฟเสตในระดับสูง

นอกจากนี้ พืชดัดแปลงพันธุกรรมที่ต้านทานไกลโฟเสตไม่สามารถย่อยสลายไกลโฟเสตได้ ส่งผลให้ไกลโฟเสตสะสมและถ่ายโอนในพืชผล ซึ่งสามารถแพร่กระจายผ่านห่วงโซ่อาหารได้ง่ายและเป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์ 

ดังนั้น จึงมีความจำเป็นเร่งด่วนที่จะต้องค้นพบยีนที่สามารถย่อยสลายไกลโฟเสตได้ เพื่อปลูกพืชทรานสเจนิกที่มีความต้านทานไกลโฟเสตสูงและมีสารตกค้างไกลโฟเสตต่ำ

การแก้ไขโครงสร้างผลึกและกลไกปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ย่อยสลายไกลโฟเซตจากพืช

ในปี พ.ศ. 2562 ทีมวิจัยชาวจีนและออสเตรเลียได้ค้นพบเอนไซม์อัลโด-คีโตรีดักเทส (aldo-keto reductase) สองชนิดที่สามารถย่อยสลายไกลโฟเซตได้ ได้แก่ AKR4C16 และ AKR4C17 จากหญ้าขนที่ต้านทานไกลโฟเซตเป็นครั้งแรก พวกเขาสามารถใช้ NADP+ เป็นโคแฟกเตอร์ในการย่อยสลายไกลโฟเซตให้เป็นกรดอะมิโนเมทิลฟอสโฟนิกและกรดไกลออกซิลิกที่ไม่เป็นพิษ

AKR4C16 และ AKR4C17 เป็นเอนไซม์ย่อยสลายไกลโฟเสตชนิดแรกที่มีรายงาน ซึ่งเกิดจากวิวัฒนาการตามธรรมชาติของพืช เพื่อศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกระดับโมเลกุลของการย่อยสลายไกลโฟเสต ทีมวิจัยของกัว รุ่ยถิง ได้ใช้การวิเคราะห์ผลึกศาสตร์ด้วยรังสีเอกซ์เพื่อวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างเอนไซม์ทั้งสองชนิดนี้กับโคแฟกเตอร์ที่มีความเข้มข้นสูง โครงสร้างที่ซับซ้อนของความละเอียดนี้เผยให้เห็นรูปแบบการจับกันของสารประกอบเชิงซ้อนไตรภาคของไกลโฟเสต ได้แก่ NADP+ และ AKR4C17 และได้เสนอกลไกปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของการย่อยสลายไกลโฟเสตที่เกิดจาก AKR4C16 และ AKR4C17

โครงสร้างของสารเชิงซ้อน AKR4C17/NADP+/ไกลโฟเซต และกลไกการเกิดปฏิกิริยาย่อยสลายไกลโฟเซต

การดัดแปลงโมเลกุลช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการย่อยสลายของไกลโฟเซต

หลังจากได้รับแบบจำลองโครงสร้างสามมิติที่ดีของ AKR4C17/NADP+/ไกลโฟเสตแล้ว ทีมของศาสตราจารย์ Guo Ruiting ยังได้โปรตีนกลายพันธุ์ AKR4C17F291D ที่มีประสิทธิภาพการย่อยสลายไกลโฟเสตเพิ่มขึ้น 70% ผ่านการวิเคราะห์โครงสร้างเอนไซม์และการออกแบบที่สมเหตุสมผล

การวิเคราะห์กิจกรรมการย่อยสลายไกลโฟเซตของยีนกลายพันธุ์ AKR4C17

“งานวิจัยของเราเผยให้เห็นกลไกระดับโมเลกุลของ AKR4C16 และ AKR4C17 ที่เร่งปฏิกิริยาการย่อยสลายไกลโฟเสต ซึ่งวางรากฐานสำคัญสำหรับการดัดแปลง AKR4C16 และ AKR4C17 เพิ่มเติมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการย่อยสลายไกลโฟเสต” รองศาสตราจารย์ Dai Longhai จากมหาวิทยาลัยหูเป่ย ผู้เขียนบทความ กล่าวว่า พวกเขาได้สร้างโปรตีนกลายพันธุ์ AKR4C17F291D ที่มีประสิทธิภาพการย่อยสลายไกลโฟเสตที่ดีขึ้น ซึ่งเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการเพาะปลูกพืชดัดแปลงพันธุกรรมที่มีความต้านทานต่อไกลโฟเสตสูงและมีปริมาณไกลโฟเสตตกค้างต่ำ และใช้แบคทีเรียจุลินทรีย์เพื่อย่อยสลายไกลโฟเสตในสิ่งแวดล้อม

มีรายงานว่าทีมวิจัยของกัว รุ่ยถิง ได้ทุ่มเทให้กับการวิจัยเกี่ยวกับการวิเคราะห์โครงสร้างและกลไกของเอนไซม์ย่อยสลายทางชีวภาพ สารสังเคราะห์เทอร์พีนอยด์ และโปรตีนเป้าหมายของยาในสารพิษและสารอันตรายในสิ่งแวดล้อมมาอย่างยาวนาน หลี่ เฮา หยาง หยู ผู้ช่วยนักวิจัย และหู หยูเหมย อาจารย์ประจำทีม เป็นผู้เขียนร่วมคนแรกของงานวิจัยนี้ และกัว รุ่ยถิง และไต้ หลงไห่ เป็นผู้เขียนร่วมที่ติดต่อได้