연간 70만 톤 이상 생산되는 글리포세이트는 세계에서 가장 널리 사용되고 규모가 큰 제초제입니다. 글리포세이트 남용으로 인한 잡초 내성 문제와 생태계 및 인간 건강에 대한 잠재적 위협은 큰 관심을 불러일으켰습니다.
5월 29일, 후베이대학교 생명과학원과 성·부처가 공동으로 설립한 생물촉매 및 효소 공정 국가중점실험실의 궈 루이팅 교수 연구팀은 유해물질저널(Journal of Hazardous Materials)에 악성 논잡초인 벼에서 유래한 알도케토 환원효소 AKR4C16과 AKR4C17에 대한 최초 분석 결과를 담은 최신 연구 논문을 발표했습니다. 이 효소는 글리포세이트 분해 반응 메커니즘을 촉매하며, 분자 변형을 통해 AKR4C17에 의한 글리포세이트 분해 효율을 크게 향상시킵니다.
글리포세이트 내성이 증가하고 있습니다.
1970년대 도입 이후 글리포세이트는 전 세계적으로 인기를 끌었으며, 점차 가장 저렴하고 널리 사용되며 생산성이 높은 광범위 제초제로 자리매김했습니다. 글리포세이트는 식물 생장과 대사에 관여하는 핵심 효소인 5-에놀피루빌시키메이트-3-인산 합성효소(EPSPS)를 특이적으로 억제하여 잡초를 포함한 식물의 대사 장애를 유발합니다. 또한 식물의 사멸을 유발합니다.
따라서 글리포세이트 저항성 형질전환 작물을 개량하고 현장에서 글리포세이트를 사용하는 것은 현대 농업에서 잡초를 방제하는 중요한 방법입니다.
그러나 글리포세이트의 광범위한 사용과 남용으로 인해 수십 종의 잡초가 점차 진화하여 높은 글리포세이트 내성을 가지게 되었습니다.
또한, 글리포세이트 내성을 가진 유전자 변형 작물은 글리포세이트를 분해할 수 없어 작물에 글리포세이트가 축적되고 이동하게 되는데, 이는 식품 사슬을 통해 쉽게 확산되어 인간의 건강을 위협할 수 있습니다.
따라서 글리포세이트 잔류물이 적고 글리포세이트 내성이 높은 형질전환 작물을 재배하기 위해서는 글리포세이트를 분해할 수 있는 유전자를 발견하는 것이 시급합니다.
식물 유래 글리포세이트 분해 효소의 결정 구조 및 촉매 반응 메커니즘 규명
2019년, 중국과 호주 연구팀은 글리포세이트 내성 잔디에서 글리포세이트를 분해하는 두 가지 알도케토 환원효소인 AKR4C16과 AKR4C17을 최초로 확인했습니다. 연구진은 NADP+를 보조 인자로 사용하여 글리포세이트를 무독성 아미노메틸포스폰산과 글리옥실산으로 분해할 수 있습니다.
AKR4C16과 AKR4C17은 식물의 자연적 진화에 의해 생성된 최초의 글리포세이트 분해 효소로 보고되었습니다. 궈 루이팅(Guo Ruiting) 연구팀은 글리포세이트 분해의 분자적 메커니즘을 더욱 심층적으로 탐구하기 위해 X선 결정학을 이용하여 이 두 효소와 보조 인자(cofactor) 간의 관계를 분석했습니다. 복잡한 구조의 분리는 글리포세이트, NADP+, 그리고 AKR4C17의 3원 복합체의 결합 방식을 밝혀냈고, AKR4C16과 AKR4C17에 의한 글리포세이트 분해의 촉매 반응 메커니즘을 제시했습니다.
AKR4C17/NADP+/글리포세이트 복합체의 구조와 글리포세이트 분해 반응 메커니즘.
분자 변형은 글리포세이트의 분해 효율을 향상시킨다.
Guo Ruiting 교수 연구팀은 AKR4C17/NADP+/글리포세이트의 정밀한 3차원 구조 모델을 얻은 후, 효소 구조 분석과 합리적 설계를 통해 글리포세이트 분해 효율이 70% 증가한 돌연변이 단백질 AKR4C17F291D를 얻었습니다.
AKR4C17 돌연변이체의 글리포세이트 분해 활성 분석.
영어: "저희 연구는 글리포세이트 분해를 촉진하는 AKR4C16과 AKR4C17의 분자적 메커니즘을 밝혀냈으며, 이는 글리포세이트 분해 효율을 개선하기 위해 AKR4C16과 AKR4C17을 추가로 개질하는 데 중요한 토대를 마련합니다." 논문의 책임저자인 후베이 대학교의 다이 롱하이(Dai Longhai) 부교수는 글리포세이트 분해 효율이 향상된 돌연변이 단백질 AKR4C17F291D를 구축했으며, 이는 글리포세이트 잔류물이 적은 고내성 형질전환 작물을 재배하고 미생물 공학 박테리아를 사용하여 환경에서 글리포세이트를 분해하는 데 중요한 도구를 제공한다고 밝혔습니다.
궈 루이팅 연구팀은 환경 중 독성 및 유해 물질의 생분해 효소, 테르페노이드 합성효소, 그리고 약물 표적 단백질의 구조 분석 및 기전 규명에 관한 연구를 오랫동안 수행해 온 것으로 알려졌습니다. 이 연구팀의 리 하오, 부연구원 양 위, 강사 후 위메이는 본 논문의 공동 제1저자이며, 궈 루이팅과 다이 롱하이는 공동 교신저자입니다.
게시 시간: 2022년 6월 2일