Strutture cristalline di erbicidi

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4343 (2023) Citare questo articolo

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SulE, un'esterasi, che disintossica una varietà di erbicidi a base di sulfonilurea attraverso la deesterificazione, fornisce un approccio interessante per rimuovere gli erbicidi a base di sulfonilurea ambientale e sviluppare colture resistenti agli erbicidi. Qui, abbiamo determinato le strutture cristalline di SulE e un mutante P44R con attività migliorata. L'analisi strutturale ha rivelato che SulE è un dimero con una spaziosa tasca di legame che accoglie il grande substrato delle sulfaniluree. In particolare, SulE contiene una forcina β sporgente con un anello del coperchio che copre il sito attivo dell'altra subunità del dimero. L'anello del coperchio partecipa al riconoscimento e al legame del substrato. La mutazione P44R ha alterato la flessibilità dell'anello del coperchio, determinando il riposizionamento dell'anello eterociclico della sulfonilurea in una conformazione relativa stabile, portando così ad un'attività notevolmente aumentata. Il nostro lavoro fornisce importanti informazioni sul meccanismo molecolare di SulE e stabilisce una solida base per migliorare ulteriormente l’attività enzimatica di vari erbicidi a base di sulfonilurea attraverso una progettazione razionale.

Le sulfoniluree sono uno degli erbicidi commerciali più importanti al mondo. Da quando DuPont ha sintetizzato il primo erbicida a base di sulfonilurea, il clorsulfuron, nel 1982, sono stati sviluppati e commercializzati quasi 40 erbicidi a base di sulfonilurea. La struttura molecolare delle sulfaniluree è composta da tre parti: gruppo arilico, ponte sulfonilurea ed eterociclo. Gli erbicidi a base di sulfonilurea comunemente commercializzati sono metsulfuron-metile (MM), bensulfuron-metile (BM), sulfometuron-metile (SM), thifensulfuron-metile (TM), tribùnuron-metile (TrM), etametsulfuron-metile (EM) e clorimuron. -etile (CE) (Fig. 1). L'obiettivo dell'erbicida sulfonilurea è l'acetoidrossiacido sintasi (AHAS, EC 2.2.1.6). L'AHAS è l'enzima chiave per la biosintesi degli aminoacidi a catena ramificata valina, leucina e isoleucina nelle piante, nei funghi e nei batteri1. Gli erbicidi a base di sulfonilurea inibiscono specificamente l'AHAS per bloccare la biosintesi degli aminoacidi a catena ramificata, con conseguente uccisione delle erbe infestanti2. A causa della loro significativa attività erbicida, dei bassi tassi di applicazione, della buona selettività delle colture e della tossicità relativamente bassa sui mammiferi, gli erbicidi a base di sulfonilurea vengono ampiamente utilizzati per il controllo delle erbe infestanti a foglia larga in varie colture agricole, tra cui mais, soia, grano e riso. Negli ultimi anni, le vendite globali del mercato degli erbicidi a base di sulfonilurea hanno superato i 2 miliardi di dollari USA, rappresentando oltre l’11% del mercato globale degli erbicidi. Inoltre, l'erbicida sulfonilurea è considerato un erbicida bersaglio ideale per l'ingegneria di colture resistenti agli erbicidi geneticamente modificate (GM)3,4; quindi, il loro utilizzo continuerebbe a crescere.

I sette erbicidi sono rispettivamente metsulfuron-metile, etametsulfuron-metile, bensulfuron-metile, sulfometuron-metile, tifensulfuron-metile, tribùnuron-metile e clorimuron-etile.

La maggior parte degli erbicidi a base di sulfonilurea sono acidi (pKa = 3,3–5,2) e si idrolizzano facilmente in condizioni acide5,6,7. Tuttavia, in terreni da neutri ad alcalini, alcune sulfoniluree, tra cui clorsulfuron, MM, SM e CE, vengono degradate lentamente e persistono per un lungo periodo (da diversi mesi a 2 anni)8,9. I residui di questi erbicidi nel terreno costituiscono fitotossicità per le successive rotazioni colturali10. Inoltre, l’applicazione estesa e a lungo termine di erbicidi a base di sulfonilurea non solo danneggia la struttura della comunità microbica del suolo, ma rappresenta anche una minaccia per gli ecosistemi acquatici e le falde acquifere11,12,13. Pertanto, le risorse enzimatiche e genetiche che possono catalizzare la degradazione o la disintossicazione degli erbicidi a base di sulfonilurea hanno un importante valore applicativo nel biorisanamento dei residui di erbicidi a base di sulfonilurea in un ambiente inquinato e nell'ingegneria transgenica resistente agli erbicidi.

La degradazione microbica svolge un ruolo importante nella rimozione dei residui di erbicidi a base di sulfonilurea nell’ambiente. I microrganismi possono degradare gli erbicidi a base di sulfonilurea attraverso la deesterificazione14,15, la scissione del ponte dell'urea16 e la dealchilazione17; tra queste, la deesterificazione è la modalità principale. In precedenza, abbiamo clonato un gene dell'esterasi sulE dal ceppo batterico Hansschlegelia zhihuaiae S11314. SulE è costituito da 398 aminoacidi, con un presunto peptide segnale all'N-terminale. Il sito di scissione del peptide segnale previsto si trova tra Ala37 e Glu38. SulE catalizza la deesterificazione di una varietà di erbicidi a base di solfonilurea, come MM, BM, SM, TM, TrM, EM e CE, nel corrispondente acido genitore inattivo dall'erbicida14. Pertanto, SulE è un enzima di disintossicazione della sulfonilurea e può essere utilizzato per degradare i residui di erbicidi sulfonilurea nell'ambiente e costruire colture geneticamente modificate resistenti agli erbicidi sulfonilurea.