Mit einer jährlichen Produktionsmenge von über 700.000 Tonnen ist Glyphosat das weltweit am häufigsten eingesetzte und größte Herbizid. Die zunehmende Unkrautresistenz und die potenziellen Gefahren für die Umwelt und die menschliche Gesundheit durch den Missbrauch von Glyphosat haben große Aufmerksamkeit erregt.
Am 29. Mai veröffentlichte das Team von Professor Guo Ruiting vom Staatlichen Schlüssellabor für Biokatalyse und Enzymtechnik, einer gemeinsamen Einrichtung der Fakultät für Lebenswissenschaften der Universität Hubei und der Provinz- und Ministeriumsbehörden, eine aktuelle Forschungsarbeit im „Journal of Hazardous Materials“. Darin analysierten sie erstmals die Wirkung von Hühnerhirse (einer bösartigen Reispflanze). Die aus Hühnerhirse gewonnenen Aldo-Keto-Reduktasen AKR4C16 und AKR4C17 katalysieren den Reaktionsmechanismus des Glyphosatabbaus. Durch molekulare Modifikation von AKR4C17 konnte die Abbauleistung von Glyphosat deutlich verbessert werden.
Zunehmende Glyphosatresistenz.
Seit seiner Einführung in den 1970er Jahren ist Glyphosat weltweit beliebt und hat sich nach und nach zum günstigsten, am weitesten verbreiteten und wirksamsten Breitbandherbizid entwickelt. Es verursacht Stoffwechselstörungen in Pflanzen, einschließlich Unkräutern, indem es spezifisch die 5-Enolpyruvylshikimat-3-phosphat-Synthase (EPSPS) hemmt, ein Schlüsselenzym für Pflanzenwachstum und -stoffwechsel.
Deshalb ist die Züchtung glyphosatresistenter transgener Nutzpflanzen und der Einsatz von Glyphosat auf dem Feld ein wichtiger Weg zur Unkrautbekämpfung in der modernen Landwirtschaft.
Durch den weitverbreiteten Einsatz und Missbrauch von Glyphosat haben sich jedoch Dutzende von Unkräutern im Laufe der Zeit weiterentwickelt und eine hohe Glyphosattoleranz entwickelt.
Darüber hinaus können glyphosatresistente, gentechnisch veränderte Pflanzen Glyphosat nicht abbauen, was zu einer Anreicherung und Weitergabe von Glyphosat in den Pflanzen führt, wodurch es sich leicht über die Nahrungskette verbreiten und die menschliche Gesundheit gefährden kann.
Daher ist es dringend erforderlich, Gene zu entdecken, die Glyphosat abbauen können, um hochglyphosatresistente transgene Nutzpflanzen mit geringen Glyphosatrückständen zu züchten.
Aufklärung der Kristallstruktur und des katalytischen Reaktionsmechanismus von pflanzlichen, Glyphosat abbauenden Enzymen
Im Jahr 2019 identifizierten chinesische und australische Forschungsteams erstmals zwei Glyphosat-abbauende Aldo-Keto-Reduktasen, AKR4C16 und AKR4C17, in glyphosatresistentem Hühnerhirse. Diese Enzyme können NADP+ als Cofaktor nutzen, um Glyphosat zu ungiftiger Aminomethylphosphonsäure und Glyoxylsäure abzubauen.
AKR4C16 und AKR4C17 sind die ersten beschriebenen Glyphosat-abbauenden Enzyme, die im Laufe der natürlichen Evolution von Pflanzen entstanden sind. Um den molekularen Mechanismus ihres Glyphosatabbaus weiter zu erforschen, analysierte das Team um Guo Ruiting mittels Röntgenkristallographie die Wechselwirkung dieser beiden Enzyme mit dem Cofaktor H₂. Die so ermittelte komplexe Struktur enthüllte die Bindungsweise des ternären Komplexes aus Glyphosat, NADP⁺ und AKR4C17 und ermöglichte die Aufklärung des katalytischen Reaktionsmechanismus des AKR4C16- und AKR4C17-vermittelten Glyphosatabbaus.
Struktur des AKR4C17/NADP+/Glyphosat-Komplexes und Reaktionsmechanismus des Glyphosatabbaus.
Durch molekulare Modifizierung wird die Abbauleistung von Glyphosat verbessert.
Nachdem das Team von Professor Guo Ruiting das detaillierte dreidimensionale Strukturmodell von AKR4C17/NADP+/Glyphosat erhalten hatte, gelang es ihm durch Enzymstrukturanalyse und rationales Design, ein mutiertes Protein AKR4C17F291D zu gewinnen, bei dem die Abbauleistung von Glyphosat um 70 % gesteigert werden konnte.
Analyse der Glyphosat-abbauenden Aktivität von AKR4C17-Mutanten.
„Unsere Arbeit enthüllt den molekularen Mechanismus der Glyphosat-Abbauprozesse durch AKR4C16 und AKR4C17 und legt damit eine wichtige Grundlage für die weitere Modifizierung dieser Proteine zur Verbesserung ihrer Abbauleistung.“ Der korrespondierende Autor der Studie, Privatdozent Dai Longhai von der Universität Hubei, erklärte, dass sie ein mutiertes Protein AKR4C17F291D mit verbesserter Glyphosat-Abbauleistung konstruiert haben. Dieses stellt ein wichtiges Werkzeug für die Züchtung hochresistenter, transgener Nutzpflanzen mit geringen Glyphosatrückständen und den Einsatz von Bakterien zur Glyphosat-Degradation in der Umwelt dar.
Berichten zufolge beschäftigt sich das Team um Guo Ruiting seit Langem mit der Strukturanalyse und der Aufklärung der Mechanismen von Enzymen, die für den Abbau toxischer und schädlicher Umweltstoffe verantwortlich sind, sowie von Terpenoidsynthasen und Zielproteinen für Arzneimittel. Li Hao, der wissenschaftliche Mitarbeiter Yang Yu und die Dozentin Hu Yumei sind die Erstautoren der Publikation, Guo Ruiting und Dai Longhai die korrespondierenden Autoren.
Veröffentlichungsdatum: 02.06.2022