Với sản lượng hàng năm hơn 700.000 tấn, glyphosate là loại thuốc diệt cỏ được sử dụng rộng rãi và lớn nhất trên thế giới. Tình trạng 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 thuộc Phòng thí nghiệm Trọng điểm Nhà nước về Xúc tác sinh học và Kỹ thuật Enzyme, do Khoa Khoa học Sự sống thuộc Đại học Hồ Bắc và các sở, ban, ngành cấp tỉnh và cấp bộ thành lập, đã công bố bài báo nghiên cứu mới nhất trên Tạp chí Vật liệu Nguy hiểm, phân tích kết quả phân tích đầu tiên về cỏ lồng vực. AKR4C16 và AKR4C17, enzyme khử aldo-keto có nguồn gốc từ cỏ lồng vực (một loại cỏ lúa ác tính), xúc tác cơ chế phản ứng phân hủy glyphosate, và cải thiện đáng kể hiệu quả phân hủy glyphosate của AKR4C17 thông qua biến đổi phân tử.
Khả năng kháng thuốc diệt cỏ glyphosate ngày càng 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 các 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 tham gia vào quá trình sinh trưởng, chuyển hóa và chết của thực vật.
Do đó, việc lai tạo cây trồng chuyển gen kháng glyphosate và sử dụng glyphosate trên đồng ruộng là một cách 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 loại cỏ dại đã dần tiến hóa và phát triển khả năng chịu đựng glyphosate cao.
Ngoài ra, cây trồng biến đổi gen kháng glyphosate không thể phân hủy glyphosate, dẫn đến sự tích tụ và chuyển giao glyphosate trong cây trồng, có thể dễ dàng lây lan qua chuỗi thức ăn và gây nguy hiểm cho sức khỏe con người.
Do đó, việc phát hiện ra các gen có khả năng phân hủy glyphosate là rất cấp thiết để tạo ra các loại cây trồng chuyển gen có khả năng kháng glyphosate cao với hàm lượng dư lượng glyphosate thấp.
Giải quyết 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 đã 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 cofactor 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 khám phá sâu hơn 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 cofactor cao. Cấu trúc phức tạp của phân giải đã tiết lộ chế độ liên kết của phức hợp ba thành phần của glyphosate, NADP+ và AKR4C17, đồng thời đề xuất cơ chế phản ứng xúc tác của quá trình phân hủy glyphosate do AKR4C16 và AKR4C17 làm trung gian.
Cấu trúc của phức hợp AKR4C17/NADP+/glyphosate và cơ chế phản ứng phân hủy glyphosate.
Biến đổi phân tử cải thiện hiệu quả phân hủy glyphosate.
Sau khi thu được mô hình cấu trúc ba chiều chính xác của AKR4C17/NADP+/glyphosate, nhóm của Giáo sư Guo Ruiting đã thu được thêm một protein đột biến AKR4C17F291D có hiệu suất phân hủy glyphosate tăng 70% thông qua phân tích cấu trúc enzyme và thiết kế hợp lý.
Phân tích hoạt động phân hủy glyphosate của đột biến AKR4C17.
“Nghiên cứu của chúng tôi tiết lộ cơ chế phân tử của AKR4C16 và AKR4C17 xúc tác quá trình phân hủy glyphosate, đặt nền tảng quan trọng cho việc biến đổi thêm AKR4C16 và AKR4C17 để cải thiện hiệu quả phân hủy glyphosate của chúng.” Tác giả liên hệ của bài báo, Phó Giáo sư Dai Longhai của Đại học Hồ Bắc cho biết họ đã xây dựng một protein đột biến AKR4C17F291D có hiệu quả phân hủy glyphosate được cải thiện, cung cấp một công cụ quan trọng để trồng các loại cây chuyển gen kháng glyphosate cao với lượng dư glyphosate thấp và sử dụng vi khuẩn kỹ thuật vi sinh để phân hủy glyphosate trong môi trường.
Được biết, nhóm nghiên cứu của Guo Ruiting đã và đang tích cực nghiên cứu về phân tích cấu trúc và thảo luận cơ chế của enzyme phân hủy sinh học, terpenoid synthase và protein đích của 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 đầu tiên của bài báo, còn Guo Ruiting và Dai Longhai là đồng tác giả liên hệ.
Thời gian đăng: 02-06-2022