연간 생산량이 70만 톤을 넘는 글리포세이트는 세계에서 가장 널리 사용되는 최대 규모의 제초제입니다. 글리포세이트의 남용으로 인한 잡초 저항성 증가와 생태계 및 인체 건강에 대한 잠재적 위협이 큰 주목을 받고 있습니다.
5월 29일, 후베이대학교 생명과학대학과 성·정부 부처가 공동 설립한 생체촉매 및 효소공학 국가핵심연구실의 궈루이팅(郭坪) 교수 연구팀은 유해물질학회지에 최신 연구 논문을 발표했습니다. 이 논문은 벼과 잡초인 바랭이에서 유래한 알도-케토 환원효소 AKR4C16과 AKR4C17이 글리포세이트 분해 반응 메커니즘을 촉매한다는 사실을 최초로 분석하고, 분자 구조 변형을 통해 AKR4C17의 글리포세이트 분해 효율을 크게 향상시켰다는 내용을 담고 있습니다.
글리포세이트 저항성 증가.
1970년대 도입 이후 글리포세이트는 전 세계적으로 인기를 얻으며 점차 가장 저렴하고 널리 사용되며 효과가 뛰어난 광범위 제초제로 자리 잡았습니다. 글리포세이트는 식물의 생장과 대사에 관여하는 핵심 효소인 5-에놀피루빌시케이트-3-인산 합성효소(EPSPS)를 특이적으로 억제하여 잡초를 포함한 식물의 대사 장애를 유발하고 결국 식물을 죽음에 이르게 합니다.
따라서 글리포세이트 저항성 유전자 변형 작물을 육종하고 밭에서 글리포세이트를 사용하는 것은 현대 농업에서 잡초를 방제하는 중요한 방법입니다.
하지만 글리포세이트의 광범위한 사용과 남용으로 인해 수십 종의 잡초가 점차 진화하여 글리포세이트에 대한 높은 내성을 갖게 되었습니다.
또한, 글리포세이트 저항성 유전자 변형 작물은 글리포세이트를 분해하지 못하여 작물에 글리포세이트가 축적되고 이동하게 되며, 이는 먹이사슬을 통해 쉽게 확산되어 인체 건강을 위협할 수 있습니다.
따라서 글리포세이트를 분해할 수 있는 유전자를 발견하여 글리포세이트 잔류량이 낮은 고내성 형질전환 작물을 재배하는 것이 시급하다.
식물 유래 글리포세이트 분해 효소의 결정 구조 및 촉매 반응 메커니즘 규명
2019년, 중국과 호주 연구팀은 글리포세이트 저항성 바랭이에서 글리포세이트를 분해하는 알도-케토 환원효소인 AKR4C16과 AKR4C17을 처음으로 확인했습니다. 이 효소들은 NADP+를 보조인자로 사용하여 글리포세이트를 무독성 아미노메틸포스폰산과 글리옥실산으로 분해할 수 있습니다.
AKR4C16과 AKR4C17은 식물의 자연 진화를 통해 생성된 최초의 글리포세이트 분해 효소로 보고되었습니다. 궈루이팅 연구팀은 이 효소들의 글리포세이트 분해 메커니즘을 더 자세히 규명하기 위해 X선 결정학을 이용하여 두 효소와 보조인자 간의 관계를 분석했습니다. 분석된 복합체 구조는 글리포세이트, NADP+, AKR4C17의 삼원 복합체 결합 방식을 밝혀냈으며, AKR4C16과 AKR4C17에 의한 글리포세이트 분해 촉매 반응 메커니즘을 제시했습니다.
AKR4C17/NADP+/글리포세이트 복합체의 구조 및 글리포세이트 분해 반응 메커니즘.
분자 구조 변형은 글리포세이트의 분해 효율을 향상시킨다.
궈루이팅 교수 연구팀은 AKR4C17/NADP+/글리포세이트의 정밀한 3차원 구조 모델을 확보한 후, 효소 구조 분석 및 합리적인 설계를 통해 글리포세이트 분해 효율이 70% 증가한 변이 단백질 AKR4C17F291D를 추가로 개발했습니다.
AKR4C17 돌연변이체의 글리포세이트 분해 활성 분석.
"이번 연구는 AKR4C16과 AKR4C17이 글리포세이트 분해를 촉매하는 분자 메커니즘을 밝혀냈으며, 이는 AKR4C16과 AKR4C17의 글리포세이트 분해 효율을 향상시키기 위한 추가적인 변형 연구에 중요한 토대를 마련했습니다." 논문의 교신 저자인 후베이대학교 다이룽하이 부교수는 글리포세이트 분해 효율이 향상된 변이 단백질 AKR4C17F291D를 개발했으며, 이는 글리포세이트 잔류량이 낮은 고내성 형질전환 작물 재배와 미생물 공학을 이용한 환경 내 글리포세이트 분해 연구에 중요한 도구가 될 것이라고 밝혔습니다.
궈루이팅 연구팀은 환경 내 독성 및 유해 물질의 생분해 효소, 테르페노이드 합성효소, 약물 표적 단백질의 구조 분석 및 메커니즘 연구를 오랫동안 진행해 온 것으로 알려졌다. 이번 논문의 공동 제1저자는 리하오, 양위 연구원, 후위메이 강사이며, 궈루이팅과 다이룽하이 교수는 공동 교신저자이다.
게시 시간: 2022년 6월 2일