Dengan produksi tahunan lebih dari 700.000 ton, glifosat adalah herbisida yang paling banyak digunakan dan terbesar di dunia. Resistensi gulma dan potensi ancaman terhadap lingkungan ekologis dan kesehatan manusia yang disebabkan oleh penyalahgunaan glifosat telah menarik perhatian besar.
Pada tanggal 29 Mei, tim Profesor Guo Ruiting dari Laboratorium Utama Negara untuk Biokatalisis dan Rekayasa Enzim, yang didirikan bersama oleh Sekolah Ilmu Hayati Universitas Hubei dan departemen provinsi serta kementerian, menerbitkan makalah penelitian terbaru di Jurnal Bahan Berbahaya, yang menganalisis untuk pertama kalinya aldo-keto reduktase AKR4C16 dan AKR4C17 yang berasal dari rumput padi (gulma padi ganas) mengkatalisis mekanisme reaksi degradasi glifosat, dan secara signifikan meningkatkan efisiensi degradasi glifosat oleh AKR4C17 melalui modifikasi molekuler.
Meningkatnya resistensi terhadap glifosat.
Sejak diperkenalkan pada tahun 1970-an, glifosat telah populer di seluruh dunia, dan secara bertahap menjadi herbisida spektrum luas yang paling murah, paling banyak digunakan, dan paling produktif. Glifosat menyebabkan gangguan metabolisme pada tanaman, termasuk gulma, dengan secara spesifik menghambat 5-enolpiruvilsikimat-3-fosfat sintase (EPSPS), enzim kunci yang terlibat dalam pertumbuhan dan metabolisme tanaman.
Oleh karena itu, pembiakan tanaman transgenik yang tahan terhadap glifosat dan penggunaan glifosat di lahan pertanian merupakan cara penting untuk mengendalikan gulma dalam pertanian modern.
Namun, dengan penggunaan dan penyalahgunaan glifosat yang meluas, puluhan gulma secara bertahap berevolusi dan mengembangkan toleransi glifosat yang tinggi.
Selain itu, tanaman hasil rekayasa genetika yang resisten terhadap glifosat tidak dapat menguraikan glifosat, sehingga mengakibatkan akumulasi dan perpindahan glifosat dalam tanaman, yang dapat dengan mudah menyebar melalui rantai makanan dan membahayakan kesehatan manusia.
Oleh karena itu, sangat mendesak untuk menemukan gen yang dapat mendegradasi glifosat, sehingga dapat membudidayakan tanaman transgenik yang sangat tahan terhadap glifosat dengan residu glifosat yang rendah.
Menentukan struktur kristal dan mekanisme reaksi katalitik enzim pendegradasi glifosat yang berasal dari tumbuhan.
Pada tahun 2019, tim peneliti Tiongkok dan Australia mengidentifikasi dua aldo-keto reduktase pengurai glifosat, AKR4C16 dan AKR4C17, untuk pertama kalinya dari rumput barnyard yang resisten terhadap glifosat. Enzim-enzim ini dapat menggunakan NADP+ sebagai kofaktor untuk menguraikan glifosat menjadi asam aminometilfosfonat dan asam glioksilat yang tidak beracun.
AKR4C16 dan AKR4C17 adalah enzim pengurai glifosat pertama yang dilaporkan dihasilkan melalui evolusi alami tanaman. Untuk lebih mengeksplorasi mekanisme molekuler penguraian glifosat oleh enzim-enzim ini, tim Guo Ruiting menggunakan kristalografi sinar-X untuk menganalisis hubungan antara kedua enzim ini dan kofaktor tinggi. Struktur kompleks yang diperoleh mengungkapkan mode pengikatan kompleks terner glifosat, NADP+, dan AKR4C17, serta mengusulkan mekanisme reaksi katalitik penguraian glifosat yang dimediasi oleh AKR4C16 dan AKR4C17.
Struktur kompleks AKR4C17/NADP+/glifosat dan mekanisme reaksi degradasi glifosat.
Modifikasi molekuler meningkatkan efisiensi degradasi glifosat.
Setelah memperoleh model struktur tiga dimensi yang akurat dari AKR4C17/NADP+/glifosat, tim Profesor Guo Ruiting selanjutnya memperoleh protein mutan AKR4C17F291D dengan peningkatan efisiensi degradasi glifosat sebesar 70% melalui analisis struktur enzim dan desain rasional.
Analisis aktivitas penguraian glifosat pada mutan AKR4C17.
“Penelitian kami mengungkap mekanisme molekuler AKR4C16 dan AKR4C17 dalam mengkatalisis degradasi glifosat, yang meletakkan dasar penting untuk modifikasi lebih lanjut AKR4C16 dan AKR4C17 guna meningkatkan efisiensi degradasi glifosat.” Penulis utama makalah tersebut, Profesor Madya Dai Longhai dari Universitas Hubei, mengatakan bahwa mereka telah membangun protein mutan AKR4C17F291D dengan efisiensi degradasi glifosat yang lebih baik, yang menyediakan alat penting untuk membudidayakan tanaman transgenik tahan glifosat tinggi dengan residu glifosat rendah dan menggunakan bakteri rekayasa mikroba untuk mendegradasi glifosat di lingkungan.
Dilaporkan bahwa tim Guo Ruiting telah lama terlibat dalam penelitian analisis struktur dan pembahasan mekanisme enzim biodegradasi, sintase terpenoid, dan protein target obat dari zat beracun dan berbahaya di lingkungan. Li Hao, peneliti rekanan Yang Yu, dan dosen Hu Yumei dalam tim tersebut adalah penulis pertama bersama dari makalah tersebut, dan Guo Ruiting serta Dai Longhai adalah penulis korespondensi bersama.
Waktu posting: 02 Juni 2022