تم الكشف عن الآلية الجزيئية لتحلل الغليفوسات في النبات

يُعدّ الغليفوسات، الذي يُنتج سنوياً بأكثر من 700 ألف طن، أكثر مبيدات الأعشاب استخداماً وأكبرها حجماً في العالم. وقد حظيت مقاومة الأعشاب الضارة والمخاطر المحتملة على البيئة وصحة الإنسان الناجمة عن الإفراط في استخدام الغليفوسات باهتمام كبير. 

في التاسع والعشرين من مايو، نشر فريق البروفيسور غو رويتينغ من المختبر الرئيسي الحكومي للحفز الحيوي وهندسة الإنزيمات، الذي أنشأته كلية علوم الحياة بجامعة هوبي بالتعاون مع الإدارات الإقليمية والوزارية، أحدث ورقة بحثية في مجلة المواد الخطرة، حيث قدموا أول تحليل لإنزيم ألدو-كيتو ريدوكتاز AKR4C16 وAKR4C17 المشتق من نبات حشيشة الدخن (وهو نبات ضار في حقول الأرز)، والذي يحفز آلية تفاعل تحلل الغليفوسات، كما حسّن AKR4C17 بشكل كبير من كفاءة تحلل الغليفوسات من خلال التعديل الجزيئي.

تزايد مقاومة الغليفوسات.

منذ طرحه في سبعينيات القرن الماضي، حظي الغليفوسات بشعبية واسعة في جميع أنحاء العالم، وأصبح تدريجياً أرخص مبيدات الأعشاب واسعة النطاق وأكثرها استخداماً وإنتاجية. يُسبب الغليفوسات اضطرابات أيضية في النباتات، بما في ذلك الأعشاب الضارة، من خلال تثبيطه لإنزيم سينثاز 5-إينول بيروفيل شيكيمات-3-فوسفات (EPSPS)، وهو إنزيم أساسي يُشارك في نمو النبات وعمليات الأيض فيه، مما يؤدي إلى موته.

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

ومع ذلك، ومع الاستخدام الواسع النطاق وإساءة استخدام مادة الغليفوسات، تطورت عشرات الأعشاب الضارة تدريجياً واكتسبت قدرة عالية على تحمل الغليفوسات.

بالإضافة إلى ذلك، فإن المحاصيل المعدلة وراثيًا المقاومة للجليفوسات لا تستطيع تحليل الجليفوسات، مما يؤدي إلى تراكم الجليفوسات وانتقاله في المحاصيل، والذي يمكن أن ينتشر بسهولة عبر السلسلة الغذائية ويعرض صحة الإنسان للخطر. 

لذلك، من الضروري اكتشاف الجينات التي يمكنها تحليل الغليفوسات، وذلك لزراعة محاصيل معدلة وراثياً مقاومة للغليفوسات بدرجة عالية مع بقايا منخفضة من الغليفوسات.

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

في عام 2019، اكتشف فريقان بحثيان صينيان وأستراليان لأول مرة نوعين من مختزلات الألدو-كيتو القادرة على تحليل الغليفوسات، وهما AKR4C16 وAKR4C17، في نبات حشيشة الدخن المقاومة للغليفوسات. تستخدم هذه المختزلات NADP+ كعامل مساعد لتحليل الغليفوسات إلى حمض أمينوميثيل فوسفونيك وحمض غليوكسيليك غير سامين.

يُعدّ كلٌّ من AKR4C16 وAKR4C17 أول إنزيمين معروفين بتحليل الغليفوسات، واللذين نتجا عن التطور الطبيعي للنباتات. وللتعمق في فهم الآلية الجزيئية لتحليلهما للغليفوسات، استخدم فريق غو رويتينغ تقنية حيود الأشعة السينية لتحليل العلاقة بين هذين الإنزيمين والعامل المساعد عالي التركيز. وكشف التركيب المعقد عالي الدقة عن نمط ارتباط المركب الثلاثي المكون من الغليفوسات وNADP+ وAKR4C17، واقترح آلية التفاعل التحفيزي لتحليل الغليفوسات بواسطة AKR4C16 وAKR4C17.

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

يؤدي التعديل الجزيئي إلى تحسين كفاءة تحلل الغليفوسات.

بعد الحصول على النموذج الهيكلي ثلاثي الأبعاد الدقيق لـ AKR4C17/NADP+/glyphosate، حصل فريق البروفيسور غو رويتينغ على بروتين متحور AKR4C17F291D مع زيادة بنسبة 70٪ في كفاءة تحلل الغليفوسات من خلال تحليل بنية الإنزيم والتصميم العقلاني.

تحليل نشاط تحلل الغليفوسات بواسطة طفرات AKR4C17.

"يكشف بحثنا عن الآلية الجزيئية التي يحفز بها البروتينان AKR4C16 وAKR4C17 تحلل الغليفوسات، مما يرسخ أساسًا هامًا لمزيد من التعديل على هذين البروتينين لتحسين كفاءتهما في تحلل الغليفوسات." وقال المؤلف الرئيسي للورقة البحثية، الأستاذ المشارك داي لونغهاي من جامعة هوبي، إنهم قاموا بتطوير بروتين طافر AKR4C17F291D يتمتع بكفاءة محسّنة في تحلل الغليفوسات، مما يوفر أداة مهمة لزراعة محاصيل معدلة وراثيًا ذات مقاومة عالية للغليفوسات ومستويات منخفضة من بقايا الغليفوسات، واستخدام البكتيريا المعدلة وراثيًا لتحليل الغليفوسات في البيئة.

تشير التقارير إلى أن فريق غو رويتينغ يُجري منذ فترة طويلة أبحاثًا حول تحليل بنية ودراسة آلية عمل إنزيمات التحلل البيولوجي، وإنزيمات تخليق التربينويد، والبروتينات المستهدفة للأدوية في المواد السامة والضارة في البيئة. ويُعدّ كلٌّ من لي هاو، والباحث المشارك يانغ يو، والمحاضرة هو يومي، من أعضاء الفريق، المؤلفين الأوائل المشاركين في هذه الورقة البحثية، بينما يُعدّ كلٌّ من غو رويتينغ وداي لونغهاي المؤلفين المُراسلين.