近日，《自然（Nature）》在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所、深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所楊青團(tuán)隊(duì)及其合作者的最新成果。該成果通過解析大豆疫霉幾丁質(zhì)合酶PsChs1的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，闡明了幾丁質(zhì)生物合成的機(jī)制，從而為針對(duì)幾丁質(zhì)合成酶的新型綠色農(nóng)藥精準(zhǔn)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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)的生物合成是最古老的生物合成途徑之一，對(duì)大量生物的生存和繁殖至關(guān)重要，這些生物包括許多種嚴(yán)重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的害蟲、病原真菌和卵菌等。幾丁質(zhì)不存在于植物和哺乳動(dòng)物中，因此幾丁質(zhì)合成酶是高效、安全、生態(tài)友好的農(nóng)藥創(chuàng)制的重要靶標(biāo)之一。同時(shí)，幾丁質(zhì)在昆蟲和真菌中均為不可或缺的結(jié)構(gòu)成分，因此，幾丁質(zhì)合成酶既是殺菌劑的靶標(biāo)，又是殺蟲劑的靶標(biāo)。

然而，在過去的50年中，靶向幾丁質(zhì)合成酶的綠色農(nóng)藥進(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，嚴(yán)重阻礙了針對(duì)該酶設(shè)計(jì)新的農(nóng)藥品種。

該研究選取了大豆疫霉菌的幾丁質(zhì)合成酶PsChs1為研究對(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5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：酶與底物結(jié)合、新生成的幾丁質(zhì)鏈延伸、產(chǎn)物釋放，并闡明了活性小分子尼克霉素能夠抑制幾丁質(zhì)生物合成的機(jī)制。這一原創(chuàng)性工作為靶向幾丁質(zhì)合成的綠色農(nóng)藥開發(fā)提供了基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性信息，使得以幾丁質(zhì)合成酶為分子靶標(biāo)精準(zhǔn)開發(fā)新型綠色農(nóng)藥成為科學(xué)可行的方案。

中國工程院院士宋寶安指出，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。該研究解析了一個(gè)公認(rèn)綠色的農(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，保障我國糧食安全。

中國工程院院士錢旭紅認(rèn)為，該研究突破了幾丁質(zhì)農(nóng)藥領(lǐng)域一個(gè)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)：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。此研究成果具有里程碑的意義，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。