გლიფოსატის მცენარეული დაშლის მოლეკულური მექანიზმი გამოვლინდა

700 000 ტონაზე მეტი წლიური წარმოებით, გლიფოსატი მსოფლიოში ყველაზე ფართოდ გამოყენებადი და ყველაზე დიდი რაოდენობით გამოყენებული ჰერბიციდია. დიდი ყურადღება მიიპყრო სარეველებისადმი მდგრადობამ და გლიფოსატის ბოროტად გამოყენებით გამოწვეულმა ეკოლოგიური გარემოსა და ადამიანის ჯანმრთელობისთვის პოტენციურმა საფრთხეებმა. 

29 მაისს, პროფესორ გუო რუიტინგის გუნდმა ბიოკატალიზისა და ფერმენტული ინჟინერიის სახელმწიფო ლაბორატორიიდან, რომელიც ერთობლივად შეიქმნა ჰუბეის უნივერსიტეტის სასიცოცხლო მეცნიერებათა სკოლისა და პროვინციული და სამინისტრო დეპარტამენტების მიერ, გამოაქვეყნა უახლესი კვლევითი ნაშრომი ჟურნალ „საშიში მასალების“ ფარგლებში, რომელშიც გაანალიზებულია ფერმის ბალახის (მავნე ბრინჯის სარეველა) პირველი ანალიზი. ალდო-კეტო რედუქტაზა AKR4C16 და AKR4C17 აკატალიზებენ გლიფოსატის დაშლის რეაქციის მექანიზმს და მნიშვნელოვნად აუმჯობესებენ გლიფოსატის დაშლის ეფექტურობას AKR4C17-ით მოლეკულური მოდიფიკაციის გზით.

გლიფოსატის მიმართ მზარდი რეზისტენტობა.

1970-იან წლებში მისი შემოღების შემდეგ, გლიფოსატი პოპულარული გახდა მთელ მსოფლიოში და თანდათანობით გახდა ყველაზე იაფი, ყველაზე ფართოდ გამოყენებული და ყველაზე პროდუქტიული ფართო სპექტრის ჰერბიციდი. ის იწვევს მეტაბოლურ დარღვევებს მცენარეებში, მათ შორის სარეველებში, 5-ენოლპირუვილშიკიმატ-3-ფოსფატ სინთაზას (EPSPS) სპეციფიკური ინჰიბირებით, რომელიც მცენარის ზრდასა და მეტაბოლიზმში მონაწილე ძირითადი ფერმენტია და ასევე მცენარის სიკვდილში.

ამიტომ, გლიფოსატის მიმართ მდგრადი ტრანსგენური კულტურების მოშენება და გლიფოსატის მინდორში გამოყენება თანამედროვე სოფლის მეურნეობაში სარეველების კონტროლის მნიშვნელოვანი გზაა. 

თუმცა, გლიფოსატის ფართოდ გამოყენებისა და ბოროტად გამოყენების შედეგად, ათობით სარეველა თანდათანობით განვითარდა და გლიფოსატის მიმართ მაღალი ტოლერანტობა განივითარა.

გარდა ამისა, გლიფოსატის მიმართ რეზისტენტულ გენმოდიფიცირებულ კულტურებს არ შეუძლიათ გლიფოსატის დაშლა, რაც იწვევს გლიფოსატის დაგროვებას და გადაცემას კულტურებში, რაც ადვილად შეიძლება გავრცელდეს კვებითი ჯაჭვის მეშვეობით და საფრთხე შეუქმნას ადამიანის ჯანმრთელობას. 

ამიტომ, სასწრაფოდ აუცილებელია გლიფოსატის დაშლის უნარის მქონე გენების აღმოჩენა, რათა მოყვანილ იქნას გლიფოსატის მიმართ მაღალი რეზისტენტობის მქონე ტრანსგენური კულტურები გლიფოსატის დაბალი ნარჩენებით.

მცენარეული წარმოშობის გლიფოსატის დამშლელი ფერმენტების კრისტალური სტრუქტურისა და კატალიზური რეაქციის მექანიზმის ამოხსნა

2019 წელს, ჩინელმა და ავსტრალიელმა კვლევითმა ჯგუფებმა გლიფოსატის მიმართ მდგრადი ფერმის ბალახიდან პირველად აღმოაჩინეს გლიფოსატის დამშლელი ორი ალდო-კეტო რედუქტაზა, AKR4C16 და AKR4C17. მათ შეუძლიათ გამოიყენონ NADP+ კოფაქტორად გლიფოსატის არატოქსიკურ ამინომეთილფოსფონის მჟავად და გლიოქსილის მჟავად დასაშლელად.

AKR4C16 და AKR4C17 მცენარეების ბუნებრივი ევოლუციის შედეგად წარმოქმნილი გლიფოსატის დამშლელი პირველი ფერმენტებია. გლიფოსატის მათში დაშლის მოლეკულური მექანიზმის შემდგომი შესწავლის მიზნით, გუო რუიტინგის გუნდმა გამოიყენა რენტგენის კრისტალოგრაფია ამ ორ ფერმენტსა და კოფაქტორ „მაღალს“ შორის ურთიერთკავშირის გასაანალიზებლად. რეზოლუციის რთულმა სტრუქტურამ გამოავლინა გლიფოსატის სამკომპლექსის, NADP+-ისა და AKR4C17-ის შეკავშირების რეჟიმი და შემოგვთავაზა AKR4C16-ისა და AKR4C17-ის მიერ განპირობებული გლიფოსატის დაშლის კატალიზური რეაქციის მექანიზმი.

AKR4C17/NADP+/გლიფოსატის კომპლექსის სტრუქტურა და გლიფოსატის დაშლის რეაქციის მექანიზმი.

მოლეკულური მოდიფიკაცია აუმჯობესებს გლიფოსატის დაშლის ეფექტურობას.

AKR4C17/NADP+/გლიფოსატის დახვეწილი სამგანზომილებიანი სტრუქტურული მოდელის მიღების შემდეგ, პროფესორ გუო რუიტინგის გუნდმა ფერმენტული სტრუქტურის ანალიზისა და რაციონალური დიზაინის გზით მიიღო მუტანტური ცილა AKR4C17F291D, რომელსაც გლიფოსატის დაშლის ეფექტურობის 70%-ით გაზრდა აღენიშნებოდა.

AKR4C17 მუტანტების გლიფოსატის დამშლელი აქტივობის ანალიზი.

„ჩვენი ნაშრომი ავლენს AKR4C16-ისა და AKR4C17-ის მოლეკულურ მექანიზმს, რომელიც გლიფოსატის დეგრადაციას კატალიზებს, რაც მნიშვნელოვან საფუძველს უყრის AKR4C16-ისა და AKR4C17-ის შემდგომ მოდიფიკაციისთვის, რათა გაუმჯობესდეს გლიფოსატის დეგრადაციის ეფექტურობა“. ნაშრომის შესაბამისმა ავტორმა, ჰუბეის უნივერსიტეტის ასოცირებულმა პროფესორმა დაი ლონჰაიმ განაცხადა, რომ მათ შექმნეს მუტანტური ცილა AKR4C17F291D გაუმჯობესებული გლიფოსატის დეგრადაციის ეფექტურობით, რაც მნიშვნელოვან ინსტრუმენტს წარმოადგენს გლიფოსატის მიმართ მაღალი რეზისტენტობის მქონე ტრანსგენური კულტურების მოსაყვანად გლიფოსატის დაბალი ნარჩენებით და მიკრობული ინჟინერიის ბაქტერიების გამოყენებით გლიფოსატის გარემოში დეგრადაციისთვის.

ცნობილია, რომ გუო რუიტინგის გუნდი დიდი ხანია ჩართულია გარემოში ტოქსიკური და მავნე ნივთიერებების ბიოდეგრადაციის ფერმენტების, ტერპენოიდული სინთაზების და წამლის სამიზნე ცილების სტრუქტურის ანალიზსა და მექანიზმის განხილვაზე. ნაშრომის თანაავტორები არიან ლი ჰაო, ასოცირებული მკვლევარი იანგ იუ და ლექტორი ჰუ იუმეი, ხოლო თანაავტორები არიან გუო რუიტინგი და დაი ლონჰაი.