グリホサートの植物分解の分子メカニズムが明らかになった

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除草剤であり、その使用量も最大である。グリホサートの乱用によって引き起こされる雑草の耐性や、生態系および人体への潜在的な脅威は、大きな注目を集めている。 

5月29日、湖北大学生命科学学院と省・部局が共同で設立した生物触媒・酵素工学国家重点実験室の郭瑞婷教授の研究チームは、有害物質ジャーナルに最新の研究論文を発表し、ヒエ（悪性の水田雑草）由来のアルドケト還元酵素AKR4C16とAKR4C17がグリホサート分解の反応機構を触媒し、AKR4C17によるグリホサートの分解効率を分子修飾によって大幅に向上させることを初めて分析した。

グリホサート耐性の拡大。

1970年代に導入されて以来、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、最も生産性の高い広範囲除草剤となった。グリホサートは、植物の成長と代謝に関わ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、最終的に枯死させる。

したがって、グリホサート耐性遺伝子組み換え作物の育種と、圃場でのグリホサートの使用は、現代農業における雑草防除の重要な手段である。 

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、グリホサートに対する高い耐性を獲得してきた。

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、作物中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、人間の健康を脅かす可能性がある。 

したがって、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、グリホサート耐性の高い遺伝子組み換え作物を栽培することが急務である。

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、グリホサート分解酵素であるAKR4C16とAKR4C17を初めて同定した。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することができる。

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ものです。グリホサート分解の分子メカニズムをさらに解明するため、郭瑞婷氏の研究チームはX線結晶構造解析を用いて、これら2つの酵素と補因子との関係を分析しました。解析された複合体構造から、グリホサート、NADP+、AKR4C17の三元複合体の結合様式が明らかになり、AKR4C16とAKR4C17によるグリホサート分解の触媒反応メカニズムが提案されました。

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する。

郭瑞婷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によって、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をさらに取得した。

AKR4C17変異株のグリホサート分解活性の解析。

「私たちの研究は、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、AKR4C16とAKR4C17のグリホサート分解効率を向上させるためのさらなる改変の重要な基盤を築きました。」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、これはグリホサート残留物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た環境中のグリホサート分解のための重要なツールを提供するとしました。

郭瑞婷氏の研究チームは、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、および薬剤標的タンパク質の構造解析とメカニズムに関する考察を長年研究してきたと報じられている。同チームの李浩氏、准研究員の楊宇氏、講師の胡玉梅氏が論文の共同筆頭著者であり、郭瑞婷氏と戴龍海氏が共同責任著者である。