Avec une production annuelle de plus de 700 000 tonnes, le glyphosate est l’herbicide le plus utilisé au monde. La résistance des mauvaises herbes et les menaces potentielles pour l’environnement et la santé humaine liées à son utilisation abusive suscitent une vive inquiétude.
Le 29 mai, l'équipe du professeur Guo Ruiting, du Laboratoire national clé de biocatalyse et d'ingénierie enzymatique, créé conjointement par la Faculté des sciences de la vie de l'Université du Hubei et les départements provinciaux et ministériels, a publié un article de recherche dans le Journal of Hazardous Materials. Cet article présente la première analyse de l'aldo-céto réductase AKR4C16 et AKR4C17, dérivée de l'échinochloa pied-de-coq (une adventice envahissante des rizières), qui catalyse la dégradation du glyphosate. L'efficacité de cette dégradation est considérablement améliorée par modification moléculaire grâce à l'AKR4C17.
Résistance croissante au glyphosate.
Depuis son introduction dans les années 1970, le glyphosate a connu une large diffusion à travers le monde et est progressivement devenu l'herbicide à large spectre le moins cher, le plus utilisé et le plus productif. Il provoque des troubles métaboliques chez les plantes, y compris les adventices, en inhibant spécifiquement la 5-énolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSPS), une enzyme clé impliquée dans la croissance et le métabolisme des plantes.
Par conséquent, la sélection de cultures transgéniques résistantes au glyphosate et l'utilisation de ce produit sur le terrain constituent un moyen important de lutter contre les mauvaises herbes dans l'agriculture moderne.
Cependant, avec l'utilisation généralisée et abusive du glyphosate, des dizaines de mauvaises herbes ont progressivement évolué et développé une forte tolérance au glyphosate.
De plus, les cultures génétiquement modifiées résistantes au glyphosate ne peuvent pas décomposer ce dernier, ce qui entraîne l'accumulation et le transfert de glyphosate dans les cultures, pouvant facilement se propager dans la chaîne alimentaire et mettre en danger la santé humaine.
Il est donc urgent de découvrir des gènes capables de dégrader le glyphosate, afin de cultiver des plantes transgéniques hautement résistantes au glyphosate et présentant de faibles résidus de glyphosate.
Résolution de la structure cristalline et du mécanisme de réaction catalytique des enzymes de dégradation du glyphosate d'origine végétale
En 2019, des équipes de recherche chinoises et australiennes ont identifié pour la première fois deux aldo-céto réductases dégradant le glyphosate, AKR4C16 et AKR4C17, chez l'échinochloa résistante au glyphosate. Ces enzymes utilisent le NADP+ comme cofacteur pour dégrader le glyphosate en acide aminométhylphosphonique et en acide glyoxylique, deux composés non toxiques.
AKR4C16 et AKR4C17 sont les premières enzymes de dégradation du glyphosate identifiées chez les plantes au cours de l'évolution naturelle. Afin d'explorer plus en détail le mécanisme moléculaire de cette dégradation, l'équipe de Guo Ruiting a utilisé la cristallographie aux rayons X pour analyser la relation entre ces deux enzymes et le cofacteur H1. La structure complexe obtenue a révélé le mode de liaison du complexe ternaire formé par le glyphosate, le NADP+ et AKR4C17, et a permis de proposer un mécanisme réactionnel pour la dégradation du glyphosate par AKR4C16 et AKR4C17.
Structure du complexe AKR4C17/NADP+/glyphosate et mécanisme réactionnel de la dégradation du glyphosate.
La modification moléculaire améliore l'efficacité de dégradation du glyphosate.
Après avoir obtenu le modèle structurel tridimensionnel précis de l'AKR4C17/NADP+/glyphosate, l'équipe du professeur Guo Ruiting a ensuite obtenu une protéine mutante AKR4C17F291D avec une augmentation de 70 % de l'efficacité de dégradation du glyphosate grâce à l'analyse de la structure enzymatique et à une conception rationnelle.
Analyse de l'activité de dégradation du glyphosate des mutants AKR4C17.
« Nos travaux révèlent le mécanisme moléculaire par lequel AKR4C16 et AKR4C17 catalysent la dégradation du glyphosate, ce qui constitue une base importante pour la modification ultérieure de ces protéines afin d'améliorer leur efficacité de dégradation. » L'auteur principal de l'article, le professeur associé Dai Longhai de l'Université du Hubei, a déclaré qu'ils avaient construit une protéine mutante, AKR4C17F291D, présentant une efficacité de dégradation du glyphosate améliorée. Cette protéine représente un outil important pour la culture de plantes transgéniques hautement résistantes au glyphosate et à faibles résidus de ce dernier, ainsi que pour l'utilisation de bactéries modifiées par génie microbien afin de dégrader le glyphosate dans l'environnement.
L'équipe de Guo Ruiting se consacre depuis longtemps à l'analyse structurale et à l'étude des mécanismes des enzymes de biodégradation, des synthases de terpénoïdes et des protéines cibles de médicaments impliqués dans le traitement des substances toxiques et nocives présentes dans l'environnement. Li Hao, Yang Yu (chercheur associé) et Hu Yumei (maître de conférences), membres de cette équipe, sont les premiers auteurs de l'article, tandis que Guo Ruiting et Dai Longhai en sont les auteurs correspondants.
Date de publication : 2 juin 2022