植物によるグリホサート分解の分子機構を解明

年間生産量が 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ている最大の除草剤です。雑草耐性と、グリホサートの乱用によって引き起こされる生態環境と人間の健康に対する潜在的な脅威は、大きな注目を集めています。 

5月29日、湖北大学生命科学部と省・省庁部門が共同で設立した生体触媒・酵素工学国家重点研究所の郭瑞廷教授のチームは、次のような分析を行った最新の研究論文をJournal of Hazardous Materialsに発表した。ヒエの初の分析。(悪性水田雑草) 由来のアルドケト還元酵素 AKR4C16 および AKR4C17 は、グリホサート分解の反応機構を触媒し、分子修飾により AKR4C17 によるグリホサートの分解効率を大幅に向上させます。

グリホサート耐性の増加。

1970 年代に導入されて以来、グリホサートは世界中で人気があり、徐々に最も安価で最も広く使用され、最も生産性の高い広域除草剤になりました。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-リン酸シンターゼ（EPSPS）を特異的に阻害することにより、雑草を含む植物の代謝障害を引き起こします。そして死。

したがって、グリホサート耐性トランスジェニック作物を育種し、圃場でグリホサートを使用することは、現代の農業における雑草を制御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、グリホサート耐性の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、作物中にグリホサートが蓄積して移動し、食物連鎖を通じて容易に広がり、人間の健康を危険にさらす可能性があります。 

したがって、グリホサート残基の少ない、グリホサート耐性の高い遺伝子組み換え作物を栽培するために、グリホサートを分解できる遺伝子を発見することが急務である。

植物由来のグリホサート分解酵素の結晶構造と触媒反応機構を解明

2019年、中国とオーストラリアの研究チームは、グリホサート耐性のヒエから初めて、2つのグリホサート分解アルドケト還元酵素AKR4C16とAKR4C17を同定した。NADP+ を補因子として使用して、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 および AKR4C17 は、植物の自然進化によって生成される最初に報告されたグリホサート分解酵素です。グリホサート分解の分子機構をさらに調査するために、Guo Ruiting のチームは X 線結晶構造解析を使用して、これら 2 つの酵素と高補因子の関係を分析しました。分離の複雑な構造により、グリホサート、NADP+、および AKR4C17 の三元複合体の結合様式が明らかになり、AKR4C16 および AKR4C17 媒介グリホサート分解の触媒反応機構が提案されました。

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。

分子修飾によりグリホサートの分解効率が向上します。

AKR4C17/NADP+/グリホサートの微細な三次元構造モデルを取得した後、Guo Ruiting教授のチームはさらに、酵素構造解析と合理的設計により、グリホサートの分解効率が70%増加した変異タンパク質AKR4C17F291Dを取得した。

AKR4C17変異体のグリホサート分解活性の分析。

「私たちの研究は、グリホサートの分解を触媒する AKR4C16 と AKR4C17 の分子機構を明らかにしました。これは、グリホサートの分解効率を向上させるために AKR4C16 と AKR4C17 をさらに修飾するための重要な基盤となります。」論文の連絡著者である湖北大学のダイ・ロンハイ准教授は、グリホサートの分解効率が改善された変異タンパク質AKR4C17F291Dを構築したと述べ、これはグリホサート残基が少なく、グリホサート耐性の高いトランスジェニック作物を栽培し、微生物工学的細菌を使用して、環境中のグリホサートを分解します。

Guo Ruiting氏のチームは、環境中の有毒物質や有害物質の生分解酵素、テルペノイド合成酵素、薬物標的タンパク質の構造解析とメカニズムの考察に関する研究に長年取り組んできたと報告されている。チームのLi Hao氏、准研究員Yang Yu氏、講師のHu Yumei氏が論文の共同筆頭著者であり、Guo Ruiting氏とDai Longhai氏が共同責任著者となっている。