植物疾病研究取得突破：新型酶或可制成抗菌杀虫剂
植物病害对农业生产力构成重大挑战，是亟待解决的重大障碍。如果不加以控制，这些疾病会迅速蔓延，对农作物造成广泛损害，导致产量下降和重大经济损失。因此，准确识别导致这些疾病的病原体至关重要。这种识别可以采取有针对性的干预措施，最大限度地降低风险并有效减轻农业影响。
黄单胞菌属 一些物种是臭名昭著的植物病原体，会影响广泛的宿主，包括水稻、小麦和西红柿等主要作物。这些病原体利用 α-1,6-环化 β-1,2-葡萄糖十六糖 (CβG16α) 来抑制植物的基本防御机制，例如与病原体相关的蛋白质的表达和胼胝质的积累，从而增强其致病性。
在最近的突破中 2024 年 6 月 19 日发布于 美国化学会志东京理科大学副教授中岛昌弘领导的研究小组公布了一项重大发现。他们确定了XccOpgD，这是一种在 油菜黑腐病 在CβG16α的生物合成中起着关键作用。研究团队还包括东京理科大学的Sei Motouchi先生、NARO食品研究所的首席科学家Shiro Komba和新潟大学的Hiroyuki Nakai。
“聚糖结构复杂且多面，在自然界和生物体中发挥着各种关键作用。酶合成和降解聚糖，表现出与聚糖多样性相对应的不同结构和功能。然而，我们对这些酶的了解仍然有限，这推动了我们寻找具有各种新潜力的新酶，”中岛教授在阐述这项研究的理由时解释道。
研究团队通过生化分析阐明了XccOpgD在CβG16α生物合成中的作用，并利用X射线晶体学等先进技术进行结构分析，揭示了该酶的催化机制和底物特异性。
这些努力带来了深刻的见解。XccOpgD 属于 GH186 家族，对调节细菌细胞壁成分至关重要。与首次发现的 GH186 酶不同，XccOpgD 表现出一种前所未有的酶促机制，称为端基异构体反转转糖基化。
科学家将这种环状化合物鉴定为 CβG16α。图片来源：东京理科大学的 Masahiro Nakajima
“理论上，典型的 GH 酶的反应根据保留或反转以及与水（水解）或糖（转糖基化）的反应的组合分为四种类型。然而，在对碳水化合物相关酶的长期研究中，不知何故缺少一种分类，我们发现了这种缺失的分类。这一突破是由于独特的结构环境而实现的，为基于酶的糖基化开辟了新的可能性，”中岛教授解释说。此外，通过这种机制合成的糖链不仅是次要成分，而且是自然界中各种革兰氏阴性细菌用于致病目的的基本结构。
详细研究表明，线性 β-1,2-葡聚糖被转化为环状化合物，核磁共振将该化合物鉴定为 CβG16α。米氏复合物的结构分析确定了关键的底物结合残基，进一步阐明了葡聚糖链上的特定相互作用。值得注意的是，XccOpgD 采用端基反转转糖苷机制，其中 D379 和 D291 作为催化剂发挥关键作用。
这些发现加深了我们的理解，并为开发针对黄单胞菌引起的植物疾病的针对性策略开辟了道路。“我们期待未来出现一种针对这种酶同源物的农药概念。与促进土壤中耐药细菌出现的杀菌剂不同，针对这种酶可以潜在地抑制致病性而不会导致杀菌。这项研究中发现的酶同源物可能成为有前途的基于结构的药物靶点，为耐药细菌问题提供潜在的解决方案，”中岛教授满怀希望地说。
XccOpgD 的发现及其在 CβG16α 生物合成中的作用标志着农业领域的重大突破。它有望增强抵御力和粮食安全，同时减轻与传统农药相关的环境影响。总体而言，这一进步为全球农业挑战提供了可持续的解决方案，促进了全球农民的环境管理和经济可行性。
科学家发现 XccOpgD 在增强黄单胞菌致病性方面的作用。图片来源：东京理科大学的 Masahiro Nakajima
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