Кристаллические структуры гербицида

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4343 (2023) Цитировать эту статью

1145 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

SulE, эстераза, которая детоксифицирует различные гербициды сульфонилмочевины посредством деэтерификации, обеспечивает привлекательный подход к удалению гербицидов сульфонилмочевины из окружающей среды и созданию устойчивых к гербицидам культур. Здесь мы определили кристаллические структуры SulE и мутанта P44R с улучшенной активностью. Структурный анализ показал, что SulE представляет собой димер с просторным связывающим карманом, вмещающим большой субстрат сульфонилмочевины. В частности, SulE содержит выступающую β-шпильку с крышечной петлей, закрывающую активный центр другой субъединицы димера. Петля крышки участвует в распознавании и связывании субстрата. Мутация P44R изменила гибкость петли крышки, что привело к изменению положения гетероциклического кольца сульфонилмочевины в относительно стабильную конформацию, что привело к резкому увеличению активности. Наша работа дает важную информацию о молекулярном механизме SulE и создает прочную основу для дальнейшего улучшения активности фермента по отношению к различным гербицидам сульфонилмочевины посредством рационального дизайна.

Производные сульфонилмочевины являются одними из наиболее важных коммерческих гербицидов в мире. С тех пор как в 1982 году компания DuPont синтезировала первый гербицид на основе сульфонилмочевины, хлорсульфурон, было разработано и коммерциализировано около 40 гербицидов на основе сульфонилмочевины. Молекулярная структура сульфонилмочевины состоит из трех частей: арильной группы, сульфонилмочевинного мостика и гетероцикла. Наиболее распространенными коммерческими гербицидами на основе сульфонилмочевины являются метсульфурон-метил (ММ), бензульфурон-метил (БМ), сульфометурон-метил (СМ), тифенсульфурон-метил (ТМ), трибенурон-метил (ТрМ), этаметсульфурон-метил (ЭМ) и хлоримурон. -этил (КЭ) (рис. 1). Мишенью гербицида сульфонилмочевины является синтаза ацетогидроксикислот (AHAS, EC 2.2.1.6). AHAS является ключевым ферментом биосинтеза аминокислот с разветвленной цепью валина, лейцина и изолейцина в растениях, грибах и бактериях1. Гербициды сульфонилмочевины специфически ингибируют AHAS, блокируя биосинтез аминокислот с разветвленной цепью, что приводит к уничтожению сорняков2. Благодаря своей значительной гербицидной активности, низким нормам применения, хорошей избирательности культур и относительно низкой токсичности для млекопитающих гербициды сульфонилмочевины широко применяются для борьбы с широколистными сорняками на различных сельскохозяйственных культурах, включая кукурузу, сою, пшеницу и рис. В последние годы мировые продажи гербицидов сульфонилмочевины составили более 2 миллиардов долларов США, что составляет более 11% мирового рынка гербицидов. Кроме того, гербицид сульфонилмочевины считается идеальным целевым гербицидом для создания генетически модифицированных (ГМ) устойчивых к гербицидам культур3,4; таким образом, их использование будет продолжать расти.

Семью гербицидами являются метсульфурон-метил, этаметсульфурон-метил, бенсульфурон-метил, сульфометурон-метил, тифенсульфурон-метил, трибенурон-метил и хлоримурон-этил соответственно.

Большинство гербицидов сульфонилмочевины являются кислыми (pKa = 3,3–5,2) и легко гидролизуются в кислых условиях5,6,7. Однако в нейтральных и щелочных почвах некоторые сульфонилмочевины, включая хлорсульфурон, ММ, СМ и КЭ, разлагаются медленно и сохраняются в течение длительного времени (от нескольких месяцев до 2 лет)8,9. Остатки этих гербицидов в почве фитотоксичны для культур последующего севооборота10. Более того, длительное и широкое применение гербицидов сульфонилмочевины не только повреждает структуру микробного сообщества почвы, но также представляет угрозу для водных экосистем и грунтовых вод11,12,13. Таким образом, ферментные и генные ресурсы, которые могут катализировать деградацию или детоксикацию гербицидов сульфонилмочевины, имеют важное прикладное значение в биоремедиации остатков гербицидов сульфонилмочевины в загрязненной окружающей среде и устойчивой к гербицидам трансгенной инженерии.

Микробиологическое разложение играет важную роль в удалении остатков гербицидов сульфонилмочевины из окружающей среды. Микроорганизмы могут разлагать гербициды сульфонилмочевины посредством деэтерификации14,15, расщепления мостика мочевины16 и деалкилирования17, среди которых основным способом является деэтерификация. Ранее мы клонировали ген эстеразы sulE из штамма бактерий Hansschlegelia zhihuaiae S11314. SulE состоит из 398 аминокислот с предполагаемым сигнальным пептидом на N-конце. Предсказанный сайт расщепления сигнального пептида расположен между Ala37 и Glu38. SulE катализирует деэтерификацию различных гербицидов сульфонилмочевины, таких как MM, BM, SM, TM, TrM, EM и CE, до соответствующей гербицидно-неактивной исходной кислоты14. Таким образом, SulE представляет собой фермент детоксикации сульфонилмочевины и может использоваться для разложения остатков гербицидов сульфонилмочевины в окружающей среде и создания генетически модифицированных культур, устойчивых к гербицидам сульфонилмочевины.