تم الكشف عن الآلية الجزيئية لتحلل الجليفوسات في النبات

بإنتاج سنوي يزيد عن 700,000 طن، يُعدّ الجليفوسات مبيد الأعشاب الأكثر استخدامًا وأكبرها تأثيرًا في العالم. وقد حظيت مقاومة الأعشاب الضارة والتهديدات المحتملة للبيئة وصحة الإنسان الناجمة عن إساءة استخدام الجليفوسات باهتمام كبير. 

في 29 مايو، نشر فريق البروفيسور جو رويتينج من مختبر الدولة الرئيسي للتحفيز الحيوي وهندسة الإنزيمات، الذي أنشأته كلية علوم الحياة بجامعة هوبي بالتعاون مع الإدارات الإقليمية والوزارية، أحدث ورقة بحثية في مجلة المواد الخطرة، حيث حلل التحليل الأول لـ AKR4C16 و AKR4C17 المشتق من عشب الحظيرة (عشب الأرز الخبيث) المشتق من ألدو كيتو ريدوكتاز، آلية تفاعل تحلل الجليفوسات، وحسّن بشكل كبير من كفاءة تحلل الجليفوسات بواسطة AKR4C17 من خلال التعديل الجزيئي.

تزايد مقاومة الجليفوسات.

منذ طرحه في سبعينيات القرن الماضي، حظي الجليفوسات بشعبية واسعة في جميع أنحاء العالم، وأصبح تدريجيًا أرخص مبيد أعشاب واسع الطيف وأكثرها استخدامًا وإنتاجية. يُسبب الجليفوسات اضطرابات أيضية في النباتات، بما في ذلك الأعشاب الضارة، عن طريق تثبيط إنزيم 5-إينولبيروفيلشيكيمات-3-فوسفات سينثاز (EPSPS)، وهو إنزيم رئيسي يشارك في نمو النبات واستقلابه، وموته.

لذلك، فإن تربية المحاصيل المعدلة وراثيا المقاومة للجليفوسات واستخدام الجليفوسات في الحقل يعد وسيلة مهمة لمكافحة الأعشاب الضارة في الزراعة الحديثة. 

ومع ذلك، ومع الاستخدام الواسع النطاق وإساءة استخدام الجليفوسات، تطورت العشرات من الأعشاب الضارة تدريجيًا وأصبحت قادرة على تحمل الجليفوسات بدرجة عالية.

علاوة على ذلك، فإن المحاصيل المعدلة وراثيا المقاومة للجليفوسات لا تستطيع تحلل الجليفوسات، مما يؤدي إلى تراكم ونقل الجليفوسات في المحاصيل، والتي يمكن أن تنتشر بسهولة من خلال السلسلة الغذائية وتهدد صحة الإنسان. 

ومن ثم، فمن الضروري اكتشاف الجينات القادرة على تحلل الجليفوسات، حتى نتمكن من زراعة محاصيل معدلة وراثيا مقاومة للجليفوسات بدرجة عالية وتحتوي على مخلفات منخفضة من الجليفوسات.

حل البنية البلورية وآلية التفاعل التحفيزي للإنزيمات المحللة للجليفوسات المشتقة من النباتات

في عام ٢٠١٩، حدّدت فرق بحثية صينية وأسترالية لأول مرة نوعين من مُختزلات الألدو-كيتو المُحللة للجليفوسات، وهما AKR4C16 وAKR4C17، من عشب الحظيرة المقاوم للجليفوسات. ويمكنهم استخدام NADP+ كعامل مساعد لتحليل الجليفوسات إلى حمض أمينوميثيل فوسفونيك وحمض جلايوكسيليك غير السام.

يُعدّ كلٌّ من AKR4C16 وAKR4C17 أول إنزيمات مُحلِّلة للغليفوسات، يُبلّغ عنها، وتُنتَج من خلال التطور الطبيعي للنباتات. ولمواصلة استكشاف الآلية الجزيئية لتحللهما للغليفوسات، استخدم فريق غوه رويتينج تقنية علم البلورات بالأشعة السينية لتحليل العلاقة بين هذين الإنزيمين ومستوى العامل المساعد. وقد كشف التركيب المعقد للتحليل عن آلية ارتباط المركب الثلاثي للغليفوسات، NADP+ وAKR4C17، واقترح آلية التفاعل التحفيزي لتحلل الغليفوسات بوساطة AKR4C16 وAKR4C17.

بنية مركب AKR4C17/NADP+/الجليفوسات وآلية تفاعل تحلل الجليفوسات.

التعديل الجزيئي يحسن كفاءة تحلل الجليفوسات.

بعد الحصول على النموذج البنيوي ثلاثي الأبعاد الدقيق لـ AKR4C17/NADP+/glyphosate، حصل فريق البروفيسور Guo Ruiting أيضًا على بروتين متحور AKR4C17F291D مع زيادة بنسبة 70% في كفاءة تحلل الجليفوسات من خلال تحليل بنية الإنزيم والتصميم العقلاني.

تحليل نشاط تحلل الجليفوسات في الطفرات AKR4C17.

يكشف عملنا عن الآلية الجزيئية لـ AKR4C16 و AKR4C17 في تحفيز تحلل الجليفوسات، مما يضع أساسًا مهمًا لمزيد من التعديل على AKR4C16 و AKR4C17 لتحسين كفاءة تحلل الجليفوسات. صرّح المؤلف المراسل للدراسة، الأستاذ المشارك داي لونغهاي من جامعة هوبي، بأنهم قاموا ببناء بروتين متحور AKR4C17F291D بكفاءة محسنة في تحلل الجليفوسات، مما يوفر أداة مهمة لزراعة محاصيل معدلة وراثيًا عالية المقاومة للجليفوسات مع بقايا منخفضة من الجليفوسات، واستخدام بكتيريا الهندسة الميكروبية لتحلل الجليفوسات في البيئة.

يُذكر أن فريق غوه روي تينغ مُنهمكٌ منذ فترة طويلة في البحث في تحليل بنية ومناقشة آلية إنزيمات التحلل الحيوي، ومركبات التربينويد المُصنِّعة، وبروتينات استهداف الأدوية للمواد السامة والضارة في البيئة. لي هاو، والباحث المشارك يانغ يو، والمحاضر هو يومي، هم المؤلفون الرئيسيون المشاركون في البحث، وغوه روي تينغ وداي لونغهاي هما المؤلفان المُراسلان.