幾丁質(zhì)的分布與合成(中國農(nóng)科院供圖)

幾丁質(zhì),古老而新穎的神奇物質(zhì)

幾丁質(zhì)俗稱甲殼素,是地球上含量最豐富的氨基聚糖。幾丁質(zhì)廣泛存在于真菌、節(jié)肢動(dòng)物、軟體動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物、腔腸動(dòng)物和原生動(dòng)物等不同種類的生物中,蝦、蟹、昆蟲和其他節(jié)肢動(dòng)物的外殼,主要成分就是幾丁質(zhì),一些真菌的細(xì)胞壁中,也大量含有幾丁質(zhì)。

可以說,幾丁質(zhì)是這些真菌、動(dòng)物安身立命的根基之一,它們出現(xiàn)在自然界的時(shí)間,要以億年為單位來計(jì)算。但人類認(rèn)識(shí)它的時(shí)間卻很短,十九世紀(jì)初,科學(xué)家才真正發(fā)現(xiàn)幾丁質(zhì)的存在,并在很短的時(shí)間里,從甲殼動(dòng)物外殼中提取到了這種物質(zhì)。

在不斷的研究中,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),幾丁質(zhì)其實(shí)是一種由N-乙酰氨基葡萄糖構(gòu)成的天然生物高分子,真菌、節(jié)肢動(dòng)物等可以在體內(nèi)自動(dòng)合成該物質(zhì),這對(duì)它們的生存和繁衍至關(guān)重要。

兩個(gè)世紀(jì)以來,這種發(fā)現(xiàn)于古老生物中的物質(zhì),已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,如在工業(yè)生產(chǎn)中,可以做布料、染料、紙張和水處理等,在醫(yī)療中,可以做隱形眼鏡、人工皮膚、縫合線、人工血管等,在化妝領(lǐng)域,可以做美容劑、保濕劑等。

不過,由于缺乏對(duì)生物合成幾丁質(zhì)的機(jī)理認(rèn)識(shí),大量使用的幾丁質(zhì),在很長時(shí)間里,主要從蝦蟹等各種生物中提取,而難以人工合成甚至定制。

″盡管幾丁質(zhì)存在于各種不同的生命形式中,幾丁質(zhì)生物合成機(jī)制在進(jìn)化上是保守的。這個(gè)工作是創(chuàng)新的,無疑具有廣泛的影響力″。一位論文匿名評(píng)審表示。

幾丁質(zhì)殺蟲劑,安全優(yōu)質(zhì)的綠色農(nóng)藥

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,干擾幾丁質(zhì)合成的活性小分子是最安全的綠色殺蟲劑、殺菌劑之一。

楊青介紹,幾丁質(zhì)是許多農(nóng)業(yè)害蟲、病菌體內(nèi)不可或缺的生物組成部分,而生物合成幾丁質(zhì)的過程中,合成酶發(fā)揮著關(guān)鍵作用,假如可以通過人工手段,抑制合成酶的作用,即可打斷生物合成幾丁質(zhì)的過程,從而讓缺乏幾丁質(zhì)的害蟲、真菌死亡。可以說,幾丁質(zhì)合成酶,既是殺蟲劑的靶標(biāo),又是殺菌劑的靶標(biāo),在農(nóng)藥領(lǐng)域的應(yīng)用前景極為廣泛。

同時(shí),由于植物和哺乳動(dòng)物體內(nèi)不存在幾丁質(zhì),可以抑制幾丁質(zhì)合成酶的農(nóng)藥,對(duì)植物和人類無害,是安全且高效的綠色農(nóng)藥。

從上世紀(jì)七十年代起,人們就陸續(xù)開發(fā)了能抑制幾丁質(zhì)合成的活性小分子化合物,這些化合物作為殺菌劑和殺蟲劑,已經(jīng)表現(xiàn)出極大的應(yīng)用和市場前景。楊青介紹,如1976年拜耳公司發(fā)現(xiàn)的尼克霉素對(duì)馬鈴薯疫霉、同絲水霉、煙曲霉等多種農(nóng)業(yè)病原菌,表現(xiàn)出良好的殺菌活性,并且作為人用的抗真菌藥物,已經(jīng)進(jìn)入II期臨床試驗(yàn)。1978年人工合成的苯甲酰脲類化合物,可以有效阻止昆蟲的幾丁質(zhì)合成,目前該類化合物農(nóng)藥占據(jù)殺蟲劑市場的3%,年銷售達(dá)到4.41億美元。

在過去五十年中,全球各國都投入了大量的人力、物力和熱情,試圖研發(fā)出更多種類和更加高效的靶向幾丁質(zhì)合成酶的綠色農(nóng)藥,但實(shí)際上,這些研究卻始終進(jìn)展緩慢。″其中一個(gè)重要原因,是缺乏準(zhǔn)確的幾丁質(zhì)合成酶的三維結(jié)構(gòu)信息,幾丁質(zhì)合成酶的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系不明確,這嚴(yán)重阻礙了針對(duì)該酶設(shè)計(jì)新的農(nóng)藥品種。″

三段式,揭示幾丁質(zhì)合成路徑

在中國,對(duì)幾丁質(zhì)的研究也一直在進(jìn)行。大約十五年前,楊青和她的團(tuán)隊(duì)就開始進(jìn)行幾丁質(zhì)生物學(xué)的研究,想要從中找到幾丁質(zhì)合成的機(jī)理。

楊青介紹,在研究中,團(tuán)隊(duì)選取了大豆疫霉菌的幾丁質(zhì)合成酶,以這種名為PsChs1的幾丁質(zhì)合成酶為對(duì)象,通過前沿生物學(xué)技術(shù)包括冷凍電鏡、掃描電鏡、X射線衍射等,解析了4個(gè)不同催化反應(yīng)狀態(tài)PsChs1的三維結(jié)構(gòu),揭示了幾丁質(zhì)合成酶實(shí)現(xiàn)幾丁質(zhì)生物合成的三個(gè)重要過程。

″這個(gè)過程主要有三個(gè)階段,第一個(gè)階段,幾丁質(zhì)合成酶將供體底物上的糖基轉(zhuǎn)移到受體幾丁質(zhì)糖鏈上。第二階段,新生成的幾丁質(zhì)糖鏈通過細(xì)胞膜上的‘跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)’通道釋放到細(xì)胞外。第三階段,釋放的幾丁質(zhì)鏈自發(fā)組裝成幾丁質(zhì)納米纖維。″楊青說。

這是第一次從原子水平上向人們展示了一個(gè)有方向性的、多步驟偶聯(lián)的幾丁質(zhì)生物合成過程。

事實(shí)上,這一過程的發(fā)現(xiàn)極為困難,十五年的研究歷程中,絕大部分時(shí)間都被用在反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中。

在弄清楚幾丁質(zhì)合成過程后,楊青團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步嘗試發(fā)現(xiàn)活性小分子是如何起作用的,楊青介紹,團(tuán)隊(duì)以活性小分子尼克霉素為研究對(duì)象,闡釋了其抑制幾丁質(zhì)生物合成的機(jī)制。″在了解幾丁質(zhì)合成的機(jī)制后,我們就更容易了解到,一些可以抑制幾丁質(zhì)合成的活性小分子,究竟是在哪個(gè)環(huán)節(jié)、通過怎樣的機(jī)制起作用的。″她說。

新靶標(biāo),環(huán)境友好型農(nóng)藥夢(mèng)想

中國工程院院士、華東師范大學(xué)校長錢旭紅指出,楊青教授的研究成果,突破了幾丁質(zhì)農(nóng)藥領(lǐng)域近50年的發(fā)展瓶頸,通過在原子尺度上對(duì)幾丁質(zhì)合成酶與底物、產(chǎn)物和抑制劑的結(jié)合模式的分析,為人類數(shù)十年以來未能實(shí)現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境友好農(nóng)藥的夢(mèng)想提供了實(shí)現(xiàn)的舞臺(tái),即基于幾丁質(zhì)合成酶的結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)綠色農(nóng)藥。

農(nóng)藥是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要生產(chǎn)資料,也是保障產(chǎn)量和品質(zhì)的基礎(chǔ)之一。在中國,農(nóng)藥的使用,每年可以減少約1000億元的直接經(jīng)濟(jì)損失。在全球,每年的農(nóng)藥市場規(guī)模,都在600億美元以上。

與此同時(shí),農(nóng)藥毒性產(chǎn)生的副作用,以及病蟲害的抗藥性,也使得農(nóng)藥的使用面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),楊青介紹,″加速研發(fā)安全、新作用機(jī)制的農(nóng)藥是有效解決途徑,其科學(xué)問題的核心在于農(nóng)藥分子靶標(biāo),即病蟲害體內(nèi)與農(nóng)藥分子結(jié)合、從而使農(nóng)藥分子發(fā)揮藥效的生物大分子。這些生物大分子,主要是在病蟲害生長發(fā)育過程中不可或缺的蛋白質(zhì)、酶、多肽和核酸等。目前全球廣泛使用的殺蟲劑中70%的品種只針對(duì)5個(gè)分子靶標(biāo),廣泛使用的殺菌劑中60%的品種只針對(duì)3個(gè)靶標(biāo)。長期使用針對(duì)單一靶標(biāo)的農(nóng)藥很容易使病蟲害產(chǎn)生高的抗藥性,最終導(dǎo)致農(nóng)藥無法控制病蟲害種群而出現(xiàn)病蟲害爆發(fā)頻發(fā)的災(zāi)害,這也是全球農(nóng)業(yè)病蟲害防控所面臨的重大問題。″

幾丁質(zhì)合成酶結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn),為生物農(nóng)藥提供了新的靶標(biāo)。中國工程院院士、貴州大學(xué)校長宋寶安指出,在今天,對(duì)于綠色農(nóng)藥分子靶標(biāo)的開發(fā)和利用已經(jīng)成為國家的重大需求,一個(gè)新的靶標(biāo)不僅可以催生出幾十甚至上百種農(nóng)藥品種,也能極大緩解已有農(nóng)藥品種的抗藥性問題。幾丁質(zhì)合成酶的三維結(jié)構(gòu),無疑是一個(gè)公認(rèn)的綠色的農(nóng)藥分子靶標(biāo)。

里程碑,全球農(nóng)藥基礎(chǔ)性研究取得突破

″這一成果具有里程碑的意義,是全球農(nóng)藥創(chuàng)新研究與開發(fā)近幾十年來最重要的基礎(chǔ)性進(jìn)展之一。標(biāo)志著中國農(nóng)藥研發(fā)水平提升到了基礎(chǔ)理論原始創(chuàng)新的高度。″錢旭紅說。

可以抑制幾丁質(zhì)合成的生物農(nóng)藥究竟有何前景？以該研究所選取的大豆疫霉菌為例,這是全球大豆生產(chǎn)中普遍的病害來源之一,是引起大豆根莖腐爛的主要病原體,每年造成超過10億美元的經(jīng)濟(jì)損失。

馬鈴薯疫霉也是如此,它是馬鈴薯晚疫病的病原體,十九世紀(jì)中期,由馬鈴薯晚疫病引發(fā)的愛爾蘭大饑荒,曾經(jīng)使上百萬人餓死,在今天,它依然是馬鈴薯生產(chǎn)中最重要的病害之一。

″如果我們研發(fā)出相關(guān)的活性小分子農(nóng)藥,可以更有效地抑制大豆疫霉菌、馬鈴薯疫霉的幾丁質(zhì)合成,那將有助于保障大豆、馬鈴薯等重要農(nóng)作物品種的安全生產(chǎn)。″楊青說。

據(jù)了解,該研究得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程、深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目及深圳市大鵬新區(qū)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金等項(xiàng)目的資助。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所為論文的第一完成單位,植保所陳威副研究員、北京工業(yè)大學(xué)曹鵬教授和大連理工大學(xué)劉元盛博士為本文共同第一作者,植保所楊青教授和中國科學(xué)院高能物理所龔勇研究員為共同通訊作者。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳基因組研究所于愛玲博士后、陳磊博士后,大連理工大學(xué)王棟博士,天津大學(xué)尉遲之光教授、Rajamanikandan Sundarraj博士后,以及德國錫根大學(xué)Hans Merzendorfer教授也參與了本文的研究。

三大院士點(diǎn)評(píng)

中國科學(xué)院院士、河北大學(xué)校長康樂表示：″該研究是生物學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)展,團(tuán)隊(duì)利用冷凍電鏡,首次從原子尺度揭示了由幾丁質(zhì)合成酶催化完成的一個(gè)多步驟、定向的幾丁質(zhì)生物合成過程。幾丁質(zhì)合成酶及其與底物、產(chǎn)物以及抑制劑結(jié)合的結(jié)構(gòu)信息,也為針對(duì)幾丁質(zhì)合成酶理性設(shè)計(jì)小分子從而控制有害昆蟲的種群數(shù)量帶來了新曙光″。

中國工程院院士、貴州大學(xué)校長宋寶安指出：″該研究解析了一個(gè)公認(rèn)的綠色農(nóng)藥分子靶標(biāo)--幾丁質(zhì)合成酶的三維結(jié)構(gòu),闡明了幾丁質(zhì)生物合成的機(jī)制和抑制劑的作用機(jī)制,是我國科學(xué)家在農(nóng)藥分子靶標(biāo)研究領(lǐng)域的一個(gè)里程碑,有助于創(chuàng)制出重量級(jí)的綠色農(nóng)藥品種,提升我國農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)的核心競爭力和對(duì)農(nóng)業(yè)有害生物的防控能力″。

中國工程院院士、華東師范大學(xué)校長錢旭紅表示：″該研究突破了幾丁質(zhì)這種生態(tài)環(huán)境友好型農(nóng)藥領(lǐng)域一個(gè)近50年的發(fā)展瓶頸,為人類數(shù)十年以來未能實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想提供了舞臺(tái)：基于幾丁質(zhì)合成酶的結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)綠色農(nóng)藥。此研究成果標(biāo)志著中國農(nóng)藥研發(fā)水平提升到了基礎(chǔ)理論原始創(chuàng)新的高度。該工作也是全球農(nóng)藥創(chuàng)新研究與開發(fā)近幾十年來最重要的基礎(chǔ)性進(jìn)展之一″。