グリホサートの植物分解の分子メカニズムが明らかに

年間70万トンを超えるグリホサートは、世界で最も広く使用され、最大の除草剤です。グリホサートの乱用による雑草の耐性や、生態環境および人間の健康への潜在的な脅威は、大きな注目を集めています。 

5月29日、湖北大学生命科学学院と省、各省が共同で設立した生体触媒・酵素工学国家重点実験室の郭瑞廷教授らの研究チームは、ハゼノキ（水田の悪性雑草）を初めて分析した最新の研究論文を危険物ジャーナルに発表した。ハゼノキ由来のアルドケト還元酵素AKR4C16とAKR4C17は、グリホサート分解の反応機構を触媒し、分子修飾を通じてAKR4C17によるグリホサートの分解効率を大幅に向上させた。

グリホサート耐性の増大。

1970年代の導入以来、グリホサートは世界中で人気を博し、徐々に最も安価で、最も広く使用され、最も効果的な広域スペクトル除草剤へと成長しました。グリホサートは、植物の成長と代謝に関与する重要な酵素である5-エノールピルビルシキミ酸-3-リン酸合成酵素（EPSPS）を特異的に阻害することで、雑草を含む植物に代謝障害を引き起こし、植物を枯死させます。

したがって、グリホサート耐性遺伝子組み換え作物を育成し、畑でグリホサートを使用することは、現代農業において雑草を防除する重要な方法です。 

しかし、グリホサートの広範な使用と乱用により、数十種類の雑草が徐々に進化し、高いグリホサート耐性を獲得しました。

さらに、グリホサート耐性遺伝子組み換え作物はグリホサートを分解できないため、作物にグリホサートが蓄積・移行し、食物連鎖を通じて容易に拡散し、人間の健康を危険にさらす可能性があります。 

そのため、グリホサートを分解できる遺伝子を発見し、グリホサート残留量が少なくグリホサート耐性が高い遺伝子組み換え作物を栽培することが急務となっている。

植物由来グリホサート分解酵素の結晶構造と触媒反応機構の解明

2019年、中国とオーストラリアの研究チームは、グリホサート耐性イヌビエから、グリホサートを分解する2つのアルドケト還元酵素、AKR4C16とAKR4C17を初めて特定しました。これらの酵素はNADP+を補酵素として利用し、グリホサートを無毒のアミノメチルホスホン酸とグリオキシル酸に分解します。

AKR4C16とAKR4C17は、植物の自然進化によって生成されたグリホサート分解酵素として初めて報告された。これらの酵素によるグリホサート分解の分子メカニズムをさらに探るため、郭瑞廷教授率いる研究チームはX線結晶構造解析を用いて、これら2つの酵素と補酵素との関係を解析した。その結果、グリホサート、NADP+、およびAKR4C17からなる三元複合体の結合様式が明らかになり、AKR4C16およびAKR4C17を介したグリホサート分解の触媒反応機構が提案された。

AKR4C17/NADP+/グリホサート複合体の構造とグリホサート分解の反応機構。

分子改変によりグリホサートの分解効率が向上します。

郭瑞廷教授の研究チームは、AKR4C17/NADP+/グリホサートの精密な三次元構造モデルを取得した後、酵素構造解析と合理的設計を通じて、グリホサートの分解効率が70％向上した変異タンパク質AKR4C17F291Dをさらに取得しました。

AKR4C17 変異体のグリホサート分解活性の分析。

「我々の研究は、AKR4C16とAKR4C17がグリホサートの分解を触媒する分子メカニズムを明らかにしました。これは、AKR4C16とAKR4C17をさらに改変してグリホサートの分解効率を向上させるための重要な基盤となります。」論文の責任著者である湖北大学の戴龍海准教授は、グリホサートの分解効率が向上した変異タンパク質AKR4C17F291Dを構築したと述べました。これは、グリホサート残留量が少ない高グリホサート耐性遺伝子組み換え作物の栽培や、微生物工学細菌を用いて環境中のグリホサートを分解するための重要なツールとなります。

郭瑞廷教授率いる研究チームは、長年にわたり、環境中の有毒有害物質の生分解酵素、テルペノイド合成酵素、および薬物標的タンパク質の構造解析とメカニズムの解明に関する研究に取り組んできたと報じられている。同研究チームの李昊氏、楊宇准研究員、胡玉梅講師が本論文の共同筆頭著者であり、郭瑞廷氏と戴龍海氏が共同責任著者である。