Structures cristallines de l'herbicide

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 4343 (2023) Citer cet article

1145 Accès

1 Altmétrique

Détails des métriques

SulE, une estérase, qui détoxifie une variété d'herbicides sulfonylurées par désestérification, constitue une approche intéressante pour éliminer les herbicides sulfonylurées environnementaux et développer des cultures tolérantes aux herbicides. Ici, nous avons déterminé les structures cristallines de SulE et un mutant P44R à activité améliorée. L'analyse structurelle a révélé que SulE est un dimère doté d'une poche de liaison spacieuse pouvant accueillir le grand substrat des sulfonylurées. En particulier, SulE contient une épingle à cheveux β saillante avec une boucle de couvercle recouvrant le site actif de l'autre sous-unité du dimère. La boucle du couvercle participe à la reconnaissance et à la liaison du substrat. La mutation P44R a modifié la flexibilité de la boucle de la paupière, entraînant le repositionnement du cycle hétérocyclique de la sulfonylurée vers une conformation relativement stable, conduisant ainsi à une activité considérablement accrue. Nos travaux fournissent des informations importantes sur le mécanisme moléculaire de SulE et établissent une base solide pour améliorer davantage l'activité enzymatique de divers herbicides sulfonylurées grâce à une conception rationnelle.

Les sulfonylurées sont l'un des herbicides commerciaux les plus importants au monde. Depuis que DuPont a synthétisé le premier herbicide sulfonylurée, le chlorsulfuron, en 1982, près de 40 herbicides sulfonylurées ont été développés et commercialisés. La structure moléculaire des sulfonylurées est composée de trois parties : le groupe aryle, le pont sulfonylurée et l'hétérocycle. Les herbicides sulfonylurées couramment commercialisés sont le metsulfuron-méthyle (MM), le bensulfuron-méthyle (BM), le sulfométuron-méthyle (SM), le thifensulfuron-méthyle (TM), le tribénuron-méthyle (TrM), l'éthametsulfuron-méthyle (EM) et le chlorimuron. -éthyle (CE) (Fig. 1). La cible de l'herbicide sulfonylurée est l'acétohydroxyacide synthase (AHAS, EC 2.2.1.6). L'AHAS est l'enzyme clé pour la biosynthèse des acides aminés à chaîne ramifiée valine, leucine et isoleucine chez les plantes, les champignons et les bactéries1. Les herbicides sulfonylurées inhibent spécifiquement l'AHAS pour bloquer la biosynthèse des acides aminés à chaîne ramifiée, entraînant ainsi la destruction des mauvaises herbes2. En raison de leur activité herbicide significative, de leurs faibles taux d'application, de leur bonne sélectivité des cultures et de leur toxicité relativement faible pour les mammifères, les herbicides sulfonylurées sont largement appliqués pour lutter contre les mauvaises herbes à feuilles larges dans diverses cultures agricoles, notamment le maïs, le soja, le blé et le riz. Ces dernières années, les ventes mondiales du marché des herbicides à base de sulfonylurée se sont élevées à plus de 2 milliards de dollars américains, soit plus de 11 % du marché mondial des herbicides. De plus, l'herbicide sulfonylurée est considéré comme un herbicide cible idéal pour la création de cultures génétiquement modifiées (GM) résistantes aux herbicides3,4 ; ainsi, leur utilisation continuerait de croître.

Les sept herbicides sont respectivement le metsulfuron-méthyl, l'éthametsulfuron-méthyl, le bensulfuron-méthyl, le sulfométuron-méthyl, le thifensulfuron-méthyl, le tribénuron-méthyl et le chlorimuron-éthyl.

La plupart des herbicides sulfonylurées sont acides (pKa = 3,3 à 5,2) et sont facilement hydrolysés dans des conditions acides5,6,7. Cependant, dans les sols neutres à alcalins, certaines sulfonylurées, dont le chlorsulfuron, le MM, le SM et le CE, se dégradent lentement et persistent longtemps (plusieurs mois à 2 ans)8,9. Les résidus de ces herbicides dans le sol sont phytotoxiques pour les cultures de rotation ultérieures10. De plus, l’application intensive et à long terme d’herbicides sulfonylurées endommage non seulement la structure de la communauté microbienne du sol, mais constitue également une menace pour les écosystèmes aquatiques et les eaux souterraines11,12,13. Par conséquent, les ressources enzymatiques et génétiques qui peuvent catalyser la dégradation ou la détoxification des herbicides sulfonylurées ont une valeur d’application importante dans la biorestauration des résidus d’herbicides sulfonylurées dans un environnement pollué et dans l’ingénierie transgénique résistante aux herbicides.

La dégradation microbienne joue un rôle majeur dans l’élimination des résidus d’herbicides sulfonylurées dans l’environnement. Les micro-organismes peuvent dégrader les herbicides sulfonylurées par désestérification14,15, clivage du pont urée16 et désalkylation17, parmi lesquels la désestérification est la principale voie. Auparavant, nous avions cloné un gène d'estérase sulE de la souche bactérienne Hansschlegelia zhihuaiae S11314. SulE se compose de 398 acides aminés, avec un peptide signal putatif à l'extrémité N-terminale. Le site de clivage du peptide signal prévu est situé entre Ala37 et Glu38. SulE catalyse la désestérification d'une variété d'herbicides sulfonylurées, tels que MM, BM, SM, TM, TrM, EM et CE, en acide parent inactif herbicide correspondant14. Par conséquent, SulE est une enzyme de détoxification des sulfonylurées et peut être utilisée pour dégrader les résidus d'herbicides sulfonylurées dans l'environnement et construire des cultures génétiquement modifiées résistantes aux herbicides sulfonylurées.