제초제의 결정 구조

Nature Communications 14권, 기사 번호: 4343(2023) 이 기사 인용

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탈에스테르화를 통해 다양한 설포닐우레아 제초제를 해독하는 에스테라제인 SulE는 환경적 설포닐우레아 제초제를 제거하고 제초제 내성 작물을 개발하기 위한 매력적인 접근 방식을 제공합니다. 여기에서 우리는 SulE의 결정 구조와 활성이 향상된 돌연변이 P44R을 결정했습니다. 구조 분석에 따르면 SulE는 큰 설포닐우레아 기질을 수용하는 넓은 결합 포켓을 가진 이량체인 것으로 나타났습니다. 특히, SulE는 이합체의 다른 하위 단위의 활성 부위를 덮는 뚜껑 고리가 있는 돌출된 β 머리핀을 포함합니다. 뚜껑 루프는 기질 인식 및 결합에 참여합니다. P44R 돌연변이는 뚜껑 루프 유연성을 변경하여 설포닐우레아 헤테로고리 고리가 상대적으로 안정적인 형태로 재배치되어 활성이 극적으로 증가했습니다. 우리의 연구는 SulE의 분자 메커니즘에 대한 중요한 통찰력을 제공하고 합리적인 설계를 통해 다양한 설포닐우레아 제초제에 대한 효소 활성을 더욱 향상시키기 위한 견고한 기반을 구축합니다.

설포닐우레아는 세계에서 가장 중요한 상업용 제초제 중 하나입니다. 1982년 DuPont이 최초의 설포닐우레아 제초제인 클로르설푸론을 합성한 이후 거의 40종에 달하는 설포닐우레아 제초제가 개발되어 상용화되었습니다. 설포닐우레아의 분자 구조는 아릴 그룹, 설포닐우레아 가교 및 헤테로사이클의 세 부분으로 구성됩니다. 일반적으로 상용화되는 설포닐우레아 제초제는 메트설푸론-메틸(MM), 벤설푸론-메틸(BM), 설포메투론-메틸(SM), 티펜설푸론-메틸(TM), 트리베누론-메틸(TrM), 에타메트설푸론-메틸(EM) 및 클로리무론입니다. -에틸(CE)(그림 1). 설포닐우레아 제초제의 표적은 아세토하이드록시산 신타제(AHAS, EC 2.2.1.6)입니다. AHAS는 식물, 곰팡이 및 박테리아에서 분지쇄 아미노산인 발린, 류신, 이소류신의 생합성을 위한 핵심 효소입니다1. 설포닐우레아 제초제는 AHAS를 특이적으로 억제하여 분지쇄 아미노산의 생합성을 차단하여 잡초를 죽입니다2. 상당한 제초 활성, 낮은 적용률, 우수한 작물 선택성 및 상대적으로 낮은 포유류 독성으로 인해 설포닐우레아 제초제는 옥수수, 대두, 밀 및 쌀을 포함한 다양한 농작물의 활엽 잡초 방제에 널리 적용됩니다. 최근 몇 년 동안 설포닐우레아 제초제 시장의 전 세계 매출은 20억 달러 이상으로 전 세계 제초제 시장의 11% 이상을 차지했습니다. 더욱이, 설포닐우레아 제초제는 유전자 변형(GM) 제초제 저항성 작물의 조작을 위한 이상적인 표적 제초제로 간주됩니다3,4; 따라서 그 사용량은 계속 증가할 것입니다.

7가지 제초제는 각각 메트설푸론-메틸, 에타메트설푸론-메틸, 벤설푸론-메틸, 설포메투론-메틸, 티펜설푸론-메틸, 트리베누론-메틸 및 클로리무론-에틸입니다.

대부분의 설포닐우레아 제초제는 산성(pKa = 3.3-5.2)이며 산성 조건에서 쉽게 가수분해됩니다5,6,7. 그러나 중성~알칼리성 토양에서는 클로르설푸론, MM, SM, CE를 포함한 일부 설포닐우레아가 천천히 분해되어 장기간(수개월~2년) 지속됩니다8,9. 토양에 있는 이러한 제초제의 잔류물은 후속 윤작 작물에 식물 독성을 나타냅니다10. 더욱이, 설포닐우레아 제초제의 장기적이고 광범위한 적용은 토양 미생물 군집 구조를 손상시킬 뿐만 아니라 수생 생태계와 지하수에도 위협이 됩니다11,12,13. 따라서 설포닐우레아 제초제의 분해 또는 해독을 촉매할 수 있는 효소 및 유전자 자원은 오염된 환경에서 설포닐우레아 제초제 잔류물의 생물학적 정화 및 제초제 저항성 형질전환 공학에 중요한 응용 가치를 가지고 있습니다.

미생물 분해는 환경에서 설포닐우레아 제초제 잔류물을 제거하는 데 중요한 역할을 합니다. 미생물은 탈에스테르화(de-esterification)14,15, 우레아 가교 절단(urea bridge cleavage)16 및 탈알킬화17를 통해 설포닐우레아 제초제를 분해할 수 있으며, 그 중 탈에스테르화가 주요 방법입니다. 이전에 우리는 박테리아 균주 Hansschlegelia zhihuaiae S11314에서 에스테라제 유전자 sulE를 복제했습니다. SulE는 398개의 아미노산으로 구성되어 있으며 N 말단에 추정 신호 펩타이드가 있습니다. 예측된 신호 펩타이드 절단 부위는 Ala37과 Glu38 사이에 위치합니다. SulE는 MM, BM, SM, TM, TrM, EM 및 CE와 같은 다양한 설포닐우레아 제초제의 탈에스테르화를 해당 제초제 비활성 모산으로 촉매합니다14. 따라서 SulE는 설포닐우레아 해독 효소이며 환경에서 설포닐우레아 제초제 잔류물을 분해하고 설포닐우레아 제초제에 저항성을 갖는 유전자 변형 작물을 만드는 데 사용할 수 있습니다.