除草剤の結晶構造

Nature Communications volume 14、記事番号: 4343 (2023) この記事を引用

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SulEは、脱エステル化によってさまざまなスルホニル尿素系除草剤を無毒化するエステラーゼであり、環境中のスルホニル尿素系除草剤を除去し、除草剤耐性作物を開発するための魅力的なアプローチを提供します。 今回、我々はSulEと活性が向上した変異体P44Rの結晶構造を決定した。 構造解析により、SulE は大きなスルホニルウレア基質を収容する広い結合ポケットを備えた二量体であることが明らかになりました。 特に、SulEには、二量体の他のサブユニットの活性部位を覆う蓋ループを備えた突き出たβヘアピンが含まれています。 リッドループは基質の認識と結合に関与します。 P44R 変異はリッドループの柔軟性を変化させ、その結果スルホニル尿素複素環が比較的安定した立体構造に再配置され、活性が劇的に増加しました。 私たちの研究は、SulE の分子機構について重要な洞察を提供し、合理的な設計を通じてさまざまなスルホニル尿素系除草剤の酵素活性をさらに改善するための強固な基盤を確立します。

スルホニル尿素は、世界で最も重要な市販除草剤の 1 つです。 デュポン社が 1982 年に最初のスルホニル尿素系除草剤であるクロルスルフロンを合成して以来、40 種類近くのスルホニル尿素系除草剤が開発され、商品化されてきました。 スルホニルウレアの分子構造は、アリール基、スルホニルウレア架橋、複素環の 3 つの部分で構成されています。 一般的に市販されているスルホニル尿素系除草剤は、メトスルフロン メチル (MM)、ベンスルフロン メチル (BM)、スルホメツロン メチル (SM)、チフェンスルフロン メチル (TM)、トリベヌロン メチル (TrM)、エタメルフロン メチル (EM)、およびクロリムロンです。 -エチル (CE) (図 1)。 スルホニル尿素系除草剤の標的は、アセトヒドロキシ酸シンターゼ (AHAS、EC 2.2.1.6) です。 AHAS は、植物、菌類、細菌における分岐鎖アミノ酸であるバリン、ロイシン、イソロイシンの生合成に重要な酵素です1。 スルホニル尿素系除草剤は、AHAS を特異的に阻害して分岐鎖アミノ酸の生合成をブロックし、その結果雑草を枯らします 2。 スルホニルウレア系除草剤は、その顕著な除草活性、低い施用率、優れた作物選択性、および比較的低い哺乳類毒性により、トウモロコシ、大豆、小麦、米などのさまざまな農作物の広葉雑草の防除に広く使用されています。 近年、スルホニル尿素系除草剤市場の世界売上高は20億米ドル以上で、世界の除草剤市場の11％以上を占めています。 さらに、スルホニル尿素系除草剤は、遺伝子組み換え (GM) 除草剤耐性作物を操作するための理想的なターゲット除草剤と考えられています 3,4。 したがって、その使用量は今後も増加するでしょう。

7 種類の除草剤は、それぞれメトスルフロン メチル、エタメツルフロン メチル、ベンスルフロン メチル、スルホメツロン メチル、チフェンスルフロン メチル、トリベヌロン メチル、およびクロリムロン エチルです。

ほとんどのスルホニル尿素系除草剤は酸性 (pKa = 3.3 ～ 5.2) であり、酸性条件下では容易に加水分解されます 5、6、7。 しかし、中性からアルカリ性の土壌では、クロルスルフロン、MM、SM、CE などの一部のスルホニル尿素はゆっくりと分解され、長期間 (数か月から 2 年) 残留します 8,9。 これらの除草剤が土壌に残留すると、その後の輪作作物に薬害が生じます10。 さらに、スルホニル尿素系除草剤の長期的かつ広範な使用は、土壌微生物群集の構造にダメージを与えるだけでなく、水生生態系と地下水にも脅威をもたらします11、12、13。 したがって、スルホニル尿素系除草剤の分解または解毒を触媒できる酵素および遺伝子リソースは、汚染環境におけるスルホニル尿素系除草剤残留物のバイオレメディエーションおよび除草剤耐性トランスジェニック工学において重要な応用価値を有する。

微生物の分解は、環境中の残留スルホニルウレア系除草剤の除去に主要な役割を果たします。 微生物は、脱エステル化 14,15、尿素橋切断 16、および脱アルキル化 17 を通じてスルホニル尿素系除草剤を分解できますが、その中でも脱エステル化が主要な方法です。 以前に、我々は細菌株Hansschlegelia zhihuaiae S11314からエステラーゼ遺伝子sulEをクローニングしました。 SulE は 398 個のアミノ酸から構成され、N 末端に推定上のシグナルペプチドがあります。 予測されるシグナルペプチド切断部位は、Ala37 と Glu38 の間に位置します。 SulE は、MM、BM、SM、TM、TrM、EM、CE などのさまざまなスルホニル尿素系除草剤の、対応する除草剤不活性の親酸への脱エステル化を触媒します 14。 したがって、SulE はスルホニル尿素解毒酵素であり、環境中の残留スルホニル尿素除草剤を分解し、スルホニル尿素除草剤に耐性のある遺伝子組み換え作物を構築するために使用できます。