Với sản lượng hàng năm hơn 700.000 tấn, glyphosate là loại thuốc diệt cỏ được sử dụng rộng rãi nhất và có sản lượng lớn nhất trên thế giới. Hiện tượng kháng thuốc của cỏ dại và những mối đe dọa tiềm tàng đối với môi trường sinh thái và sức khỏe con người do việc lạm dụng glyphosate đã thu hút sự chú ý lớn.
Ngày 29 tháng 5, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Guo Ruiting từ Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về xúc tác sinh học và kỹ thuật enzyme, được thành lập bởi Trường Khoa học Sinh học thuộc Đại học Hồ Bắc cùng các sở, ban ngành cấp tỉnh và bộ, đã công bố bài báo nghiên cứu mới nhất trên Tạp chí Vật liệu nguy hiểm, phân tích lần đầu tiên về cơ chế phản ứng phân hủy glyphosate của enzyme aldo-keto reductase AKR4C16 và AKR4C17 có nguồn gốc từ cỏ lồng vực (một loại cỏ dại nguy hiểm). Enzyme này xúc tác cho cơ chế phản ứng phân hủy glyphosate của AKR4C16 và AKR4C17, đồng thời cải thiện đáng kể hiệu quả phân hủy glyphosate thông qua quá trình biến đổi phân tử nhờ AKR4C17.
Hiện tượng kháng thuốc diệt cỏ glyphosate ngày càng gia tăng.
Kể từ khi được giới thiệu vào những năm 1970, glyphosate đã trở nên phổ biến trên toàn thế giới và dần trở thành loại thuốc diệt cỏ phổ rộng rẻ nhất, được sử dụng rộng rãi nhất và hiệu quả nhất. Nó gây ra rối loạn chuyển hóa ở thực vật, bao gồm cả cỏ dại, bằng cách ức chế đặc hiệu enzyme 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSPS), một enzyme quan trọng liên quan đến sự sinh trưởng và chuyển hóa của thực vật.
Do đó, việc lai tạo các giống cây trồng biến đổi gen kháng glyphosate và sử dụng glyphosate trên đồng ruộng là một phương pháp quan trọng để kiểm soát cỏ dại trong nền nông nghiệp hiện đại.
Tuy nhiên, với việc sử dụng và lạm dụng glyphosate tràn lan, hàng chục loài cỏ dại đã dần tiến hóa và phát triển khả năng kháng glyphosate cao.
Ngoài ra, cây trồng biến đổi gen kháng glyphosate không thể phân hủy glyphosate, dẫn đến sự tích tụ và chuyển hóa glyphosate trong cây trồng, dễ dàng lan truyền qua chuỗi thức ăn và gây nguy hiểm cho sức khỏe con người.
Do đó, việc tìm ra các gen có khả năng phân hủy glyphosate là vô cùng cấp thiết, nhằm mục đích trồng các giống cây trồng biến đổi gen có khả năng kháng glyphosate cao và dư lượng glyphosate thấp.
Giải mã cấu trúc tinh thể và cơ chế phản ứng xúc tác của các enzyme phân hủy glyphosate có nguồn gốc từ thực vật.
Năm 2019, các nhóm nghiên cứu Trung Quốc và Úc lần đầu tiên xác định được hai enzyme aldo-keto reductase phân hủy glyphosate, AKR4C16 và AKR4C17, từ cỏ lồng vực kháng glyphosate. Chúng có thể sử dụng NADP+ làm chất đồng yếu tố để phân hủy glyphosate thành axit aminomethylphosphonic và axit glyoxylic không độc hại.
AKR4C16 và AKR4C17 là những enzyme phân hủy glyphosate đầu tiên được báo cáo, được tạo ra bởi quá trình tiến hóa tự nhiên của thực vật. Để tìm hiểu sâu hơn về cơ chế phân tử của quá trình phân hủy glyphosate, nhóm nghiên cứu của Guo Ruiting đã sử dụng phương pháp tinh thể học tia X để phân tích mối quan hệ giữa hai enzyme này và đồng yếu tố NADP+. Cấu trúc phức hợp được phân giải đã hé lộ phương thức liên kết của phức hợp ba thành phần gồm glyphosate, NADP+ và AKR4C17, đồng thời đề xuất cơ chế phản ứng xúc tác của quá trình phân hủy glyphosate do AKR4C16 và AKR4C17 thực hiện.
Cấu trúc phức hợp AKR4C17/NADP+/glyphosate và cơ chế phản ứng phân hủy glyphosate.
Việc biến đổi cấu trúc phân tử giúp cải thiện hiệu quả phân hủy glyphosate.
Sau khi thu được mô hình cấu trúc ba chiều chi tiết của AKR4C17/NADP+/glyphosate, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Guo Ruiting tiếp tục thu được protein đột biến AKR4C17F291D với hiệu quả phân hủy glyphosate tăng 70% thông qua phân tích cấu trúc enzyme và thiết kế hợp lý.
Phân tích hoạt tính phân hủy glyphosate của các đột biến AKR4C17.
“Nghiên cứu của chúng tôi hé lộ cơ chế phân tử của AKR4C16 và AKR4C17 xúc tác quá trình phân hủy glyphosate, đặt nền tảng quan trọng cho việc tiếp tục cải tiến AKR4C16 và AKR4C17 nhằm nâng cao hiệu quả phân hủy glyphosate của chúng.” Tác giả chính của bài báo, Phó Giáo sư Dai Longhai thuộc Đại học Hồ Bắc cho biết, họ đã tạo ra protein đột biến AKR4C17F291D với hiệu quả phân hủy glyphosate được cải thiện, cung cấp một công cụ quan trọng cho việc trồng các loại cây trồng biến đổi gen có khả năng kháng glyphosate cao với dư lượng glyphosate thấp và sử dụng vi khuẩn kỹ thuật vi sinh để phân hủy glyphosate trong môi trường.
Theo thông tin được biết, nhóm nghiên cứu của Guo Ruiting từ lâu đã tập trung nghiên cứu phân tích cấu trúc và thảo luận về cơ chế hoạt động của các enzyme phân hủy sinh học, enzyme tổng hợp terpenoid và protein đích của thuốc đối với các chất độc hại trong môi trường. Li Hao, cộng tác viên nghiên cứu Yang Yu và giảng viên Hu Yumei trong nhóm là đồng tác giả chính của bài báo, còn Guo Ruiting và Dai Longhai là đồng tác giả liên hệ.
Thời gian đăng bài: 02/06/2022