נחשף המנגנון המולקולרי של פירוק גלייפוסט בצמחים

עם תפוקה שנתית של למעלה מ-700,000 טון, גלייפוסט הוא קוטל העשבים הנפוץ והגדול ביותר בעולם. עמידות לעשבים ואיומים פוטנציאליים על הסביבה האקולוגית ובריאות האדם הנגרמים משימוש לרעה בגלייפוסט משכו תשומת לב רבה. 

ב-29 במאי, צוותו של פרופסור גואו רויטינג מהמעבדה המרכזית של המדינה לביו-קטליזה והנדסת אנזימים, שהוקמה במשותף על ידי בית הספר למדעי החיים של אוניברסיטת הוביי והמחלקות המחוזיות והמיניסטריאליות, פרסם את מאמר המחקר האחרון בכתב העת Journal of Hazardous Materials, ובו ניתח את הניתוח הראשון של עשב חווה. AKR4C16 ו-AKR4C17, שמקורם באלדו-קטו רדוקטאז (עשב אורז ממאיר), מזרזים את מנגנון התגובה של פירוק גלייפוסט, ומשפרים מאוד את יעילות הפירוק של גלייפוסט על ידי AKR4C17 באמצעות שינוי מולקולרי.

עמידות גוברת לגליפוסט.

מאז הצגתו בשנות ה-70, גלייפוסט פופולרי בכל רחבי העולם, ובהדרגה הפך לקוטל העשבים רחב הטווח הזול, הנפוץ והפרודוקטיבי ביותר. הוא גורם להפרעות מטבוליות בצמחים, כולל עשבים שוטים, על ידי עיכוב ספציפי של 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSPS), אנזים מפתח המעורב בגדילת צמחים ובמטבוליזם, ומוות.

לכן, גידול גידולים טרנסגניים עמידים לגליפוסט ושימוש בגליפוסט בשדה הם דרך חשובה לשליטה בעשבים שוטים בחקלאות המודרנית. 

עם זאת, עם השימוש הנרחב והניצול לרעה של גלייפוסט, עשרות עשבים שוטים התפתחו בהדרגה ופיתחו סבילות גבוהה לגליפוסט.

בנוסף, גידולים מהונדסים גנטית עמידים לגליפוסט אינם יכולים לפרק גליפוסט, מה שגורם להצטברות והעברה של גליפוסט בגידולים, אשר עלול להתפשט בקלות בשרשרת המזון ולסכן את בריאות האדם. 

לכן, דחוף לגלות גנים שיכולים לפרק גלייפוסט, על מנת לטפח גידולים טרנסגניים עמידים מאוד לגליפוסט עם שאריות גליפוסט נמוכות.

פתרון מבנה הגביש ומנגנון התגובה הקטליטית של אנזימים המפרקים גלייפוסט שמקורם בצמחים

בשנת 2019, צוותי מחקר סינים ואוסטרליים זיהו לראשונה שני אנזימים המפרקים אלדו-קטו-רדוקטאזים, AKR4C16 ו-AKR4C17, מעשב אסם עמיד לגליפוסאט. הם יכולים להשתמש ב-NADP+ כקופקטור לפירוק גליפוסאט לחומצה אמינומתילפוספונית וחומצה גליוקסילית לא רעילות.

AKR4C16 ו-AKR4C17 הם האנזימים הראשונים שדווחו כמפרקי גלייפוסט, המיוצרים באבולוציה טבעית של צמחים. על מנת לחקור לעומק את המנגנון המולקולרי של פירוק הגלייפוסט על ידים, צוותו של גואו רויטינג השתמש בקריסטלוגרפיה בקרני רנטגן כדי לנתח את הקשר בין שני האנזימים הללו לבין קו-פקטור גבוה. המבנה המורכב של הרזולוציה חשף את אופן הקישור של הקומפלקס הטרינרי של גלייפוסט, NADP+ ו-AKR4C17, והציע את מנגנון התגובה הקטליטית של פירוק גלייפוסט בתיווך AKR4C16 ו-AKR4C17.

מבנה הקומפלקס AKR4C17/NADP+/גליפוסט ומנגנון התגובה של פירוק גליפוסט.

שינוי מולקולרי משפר את יעילות הפירוק של גלייפוסט.

לאחר השגת מודל מבני תלת-ממדי עדין של AKR4C17/NADP+/גליפוסט, צוותו של פרופסור גואו רויטינג השיג בנוסף חלבון מוטנטי AKR4C17F291D עם עלייה של 70% ביעילות הפירוק של גלייפוסט באמצעות ניתוח מבנה אנזים ותכנון רציונלי.

ניתוח פעילות פירוק גלייפוסט של מוטנטים AKR4C17.

"עבודתנו חושפת את המנגנון המולקולרי של AKR4C16 ו-AKR4C17 המזרזים את פירוק הגלייפוסט, מה שמניח בסיס חשוב לשינוי נוסף של AKR4C16 ו-AKR4C17 כדי לשפר את יעילות פירוק הגלייפוסט שלהם." פרופסור דאי לונגהאי מאוניברסיטת הוביי, מחבר המאמר, אמר כי הם בנו חלבון מוטנטי AKR4C17F291D עם יעילות פירוק משופרת של גליפוסט, המספק כלי חשוב לגידול גידולים טרנסגניים עמידים מאוד לגלייפוסט עם שאריות גליפוסט נמוכות ושימוש בחיידקים הנדסיים מיקרוביאליים לפירוק גליפוסט בסביבה.

דווח כי צוותו של גואו רויטינג עוסק זה מכבר במחקר על ניתוח מבנה ודיון במנגנונים של אנזימי פירוק ביולוגי, סינתאזות טרפנואידים וחלבוני מטרה תרופתיים של חומרים רעילים ומזיקים בסביבה. לי האו, החוקר המשנה יאנג יו והמרצה הו יומיי בצוות הם המחברים הראשונים של המאמר, וגואו רויטינג ודאי לונגהאי הם המחברים המשותפים.