Com uma produção anual de mais de 700.000 toneladas, o glifosato é o herbicida mais utilizado e de maior volume no mundo. A resistência de plantas daninhas e as potenciais ameaças ao meio ambiente e à saúde humana causadas pelo uso abusivo do glifosato têm atraído grande atenção.
Em 29 de maio, a equipe do Professor Guo Ruiting, do Laboratório Estadual de Biocatálise e Engenharia Enzimática, criado em conjunto pela Escola de Ciências Biológicas da Universidade de Hubei e pelos departamentos provinciais e ministeriais, publicou o mais recente artigo de pesquisa no Journal of Hazardous Materials, analisando a primeira análise da aldo-ceto redutase AKR4C16 e AKR4C17 derivadas de capim-arroz (uma erva daninha maligna), que catalisam o mecanismo de reação da degradação do glifosato e melhoram significativamente a eficiência da degradação do glifosato pela AKR4C17 por meio de modificação molecular.
Resistência crescente ao glifosato.
Desde a sua introdução na década de 1970, o glifosato tem sido popular em todo o mundo e gradualmente se tornou o herbicida de amplo espectro mais barato, mais utilizado e mais produtivo. Ele causa distúrbios metabólicos em plantas, incluindo ervas daninhas, ao inibir especificamente a 5-enolpiruvilshiquimato-3-fosfato sintase (EPSPS), uma enzima essencial envolvida no crescimento e metabolismo das plantas, e morte.
Portanto, o cultivo de culturas transgênicas resistentes ao glifosato e o uso do glifosato no campo são maneiras importantes de controlar ervas daninhas na agricultura moderna.
Entretanto, com o uso generalizado e o abuso do glifosato, dezenas de ervas daninhas evoluíram gradualmente e desenvolveram alta tolerância ao glifosato.
Além disso, as culturas geneticamente modificadas resistentes ao glifosato não conseguem decompor o glifosato, resultando no acúmulo e na transferência de glifosato nas culturas, o que pode se espalhar facilmente pela cadeia alimentar e colocar em risco a saúde humana.
Portanto, é urgente descobrir genes que possam degradar o glifosato, de modo a cultivar culturas transgênicas com alta resistência ao glifosato e baixos resíduos de glifosato.
Resolução da estrutura cristalina e do mecanismo de reação catalítica de enzimas degradadoras de glifosato derivadas de plantas
Em 2019, equipes de pesquisa chinesas e australianas identificaram pela primeira vez duas aldo-ceto redutases degradadoras de glifosato, AKR4C16 e AKR4C17, a partir de capim-arroz resistente ao glifosato. Eles podem usar NADP+ como cofator para degradar o glifosato em ácido aminometilfosfônico e ácido glioxílico não tóxicos.
AKR4C16 e AKR4C17 são as primeiras enzimas degradadoras de glifosato relatadas, produzidas pela evolução natural das plantas. Para explorar mais a fundo o mecanismo molecular da degradação do glifosato, a equipe de Guo Ruiting utilizou cristalografia de raios X para analisar a relação entre essas duas enzimas e o cofator high. A estrutura complexa da resolução revelou o modo de ligação do complexo ternário de glifosato, NADP+ e AKR4C17, e propôs o mecanismo de reação catalítica da degradação do glifosato mediada por AKR4C16 e AKR4C17.
Estrutura do complexo AKR4C17/NADP+/glifosato e mecanismo de reação de degradação do glifosato.
A modificação molecular melhora a eficiência de degradação do glifosato.
Após obter o modelo estrutural tridimensional fino de AKR4C17/NADP+/glifosato, a equipe do Professor Guo Ruiting obteve ainda uma proteína mutante AKR4C17F291D com um aumento de 70% na eficiência de degradação do glifosato por meio da análise da estrutura enzimática e projeto racional.
Análise da atividade de degradação de glifosato de mutantes AKR4C17.
"Nosso trabalho revela o mecanismo molecular de AKR4C16 e AKR4C17 catalisando a degradação do glifosato, o que estabelece uma base importante para a modificação posterior de AKR4C16 e AKR4C17 para melhorar sua eficiência de degradação do glifosato." O autor correspondente do artigo, Professor Associado Dai Longhai da Universidade de Hubei, disse que eles construíram uma proteína mutante AKR4C17F291D com eficiência de degradação de glifosato melhorada, o que fornece uma ferramenta importante para cultivar culturas transgênicas de alta resistência ao glifosato com baixos resíduos de glifosato e usar bactérias de engenharia microbiana para degradar o glifosato no ambiente.
A equipe de Guo Ruiting, segundo relatos, se dedica há muito tempo à pesquisa sobre análise estrutural e discussão do mecanismo de enzimas de biodegradação, terpenoides sintases e proteínas-alvo de fármacos de substâncias tóxicas e nocivas no ambiente. Li Hao, o pesquisador associado Yang Yu e o professor Hu Yumei da equipe são os coautores do artigo, e Guo Ruiting e Dai Longhai são os coautores correspondentes.
Horário da publicação: 02/06/2022