几丁质的分布与合成(中国农科院供图)
几丁质,古老而新颖的神奇物质
几丁质俗称甲壳素,是地球上含量最丰富的氨基聚糖。几丁质广泛存在于真菌、节肢动物、软体动物、环节动物、腔肠动物和原生动物等不同种类的生物中,虾、蟹、昆虫和其他节肢动物的外壳,主要成分就是几丁质,一些真菌的细胞壁中,也大量含有几丁质。
可以说,几丁质是这些真菌、动物安身立命的根基之一,它们出现在自然界的时间,要以亿年为单位来计算。但人类认识它的时间却很短,十九世纪初,科学家才真正发现几丁质的存在,并在很短的时间里,从甲壳动物外壳中提取到了这种物质。
在不断的研究中,科学家们发现,几丁质其实是一种由N-乙酰氨基葡萄糖构成的天然生物高分子,真菌、节肢动物等可以在体内自动合成该物质,这对它们的生存和繁衍至关重要。
两个世纪以来,这种发现于古老生物中的物质,已经得到了广泛的应用,如在工业生产中,可以做布料、染料、纸张和水处理等,在医疗中,可以做隐形眼镜、人工皮肤、缝合线、人工血管等,在化妆领域,可以做美容剂、保湿剂等。
不过,由于缺乏对生物合成几丁质的机理认识,大量使用的几丁质,在很长时间里,主要从虾蟹等各种生物中提取,而难以人工合成甚至定制。
″尽管几丁质存在于各种不同的生命形式中,几丁质生物合成机制在进化上是保守的。这个工作是创新的,无疑具有广泛的影响力″。一位论文匿名评审表示。
几丁质杀虫剂,安全优质的绿色农药
在农业生产中,干扰几丁质合成的活性小分子是最安全的绿色杀虫剂、杀菌剂之一。
杨青介绍,几丁质是许多农业害虫、病菌体内不可或缺的生物组成部分,而生物合成几丁质的过程中,合成酶发挥着关键作用,假如可以通过人工手段,抑制合成酶的作用,即可打断生物合成几丁质的过程,从而让缺乏几丁质的害虫、真菌死亡。可以说,几丁质合成酶,既是杀虫剂的靶标,又是杀菌剂的靶标,在农药领域的应用前景极为广泛。
同时,由于植物和哺乳动物体内不存在几丁质,可以抑制几丁质合成酶的农药,对植物和人类无害,是安全且高效的绿色农药。
从上世纪七十年代起,人们就陆续开发了能抑制几丁质合成的活性小分子化合物,这些化合物作为杀菌剂和杀虫剂,已经表现出极大的应用和市场前景。杨青介绍,如1976年拜耳公司发现的尼克霉素对马铃薯疫霉、同丝水霉、烟曲霉等多种农业病原菌,表现出良好的杀菌活性,并且作为人用的抗真菌药物,已经进入II期临床试验。1978年人工合成的苯甲酰脲类化合物,可以有效阻止昆虫的几丁质合成,目前该类化合物农药占据杀虫剂市场的3%,年销售达到4.41亿美元。
在过去五十年中,全球各国都投入了大量的人力、物力和热情,试图研发出更多种类和更加高效的靶向几丁质合成酶的绿色农药,但实际上,这些研究却始终进展缓慢。″其中一个重要原因,是缺乏准确的几丁质合成酶的三维结构信息,几丁质合成酶的结构-功能关系不明确,这严重阻碍了针对该酶设计新的农药品种。″
三段式,揭示几丁质合成路径
在中国,对几丁质的研究也一直在进行。大约十五年前,杨青和她的团队就开始进行几丁质生物学的研究,想要从中找到几丁质合成的机理。
杨青介绍,在研究中,团队选取了大豆疫霉菌的几丁质合成酶,以这种名为PsChs1的几丁质合成酶为对象,通过前沿生物学技术包括冷冻电镜、扫描电镜、X射线衍射等,解析了4个不同催化反应状态PsChs1的三维结构,揭示了几丁质合成酶实现几丁质生物合成的三个重要过程。
″这个过程主要有三个阶段,第一个阶段,几丁质合成酶将供体底物上的糖基转移到受体几丁质糖链上。第二阶段,新生成的几丁质糖链通过细胞膜上的‘跨膜转运’通道释放到细胞外。第三阶段,释放的几丁质链自发组装成几丁质纳米纤维。″杨青说。
这是第一次从原子水平上向人们展示了一个有方向性的、多步骤偶联的几丁质生物合成过程。
事实上,这一过程的发现极为困难,十五年的研究历程中,绝大部分时间都被用在反复的实验中。
在弄清楚几丁质合成过程后,杨青团队进一步尝试发现活性小分子是如何起作用的,杨青介绍,团队以活性小分子尼克霉素为研究对象,阐释了其抑制几丁质生物合成的机制。″在了解几丁质合成的机制后,我们就更容易了解到,一些可以抑制几丁质合成的活性小分子,究竟是在哪个环节、通过怎样的机制起作用的。″她说。
新靶标,环境友好型农药梦想
中国工程院院士、华东师范大学校长钱旭红指出,杨青教授的研究成果,突破了几丁质农药领域近50年的发展瓶颈,通过在原子尺度上对几丁质合成酶与底物、产物和抑制剂的结合模式的分析,为人类数十年以来未能实现的生态环境友好农药的梦想提供了实现的舞台,即基于几丁质合成酶的结构精准设计绿色农药。
农药是现代农业生产的重要生产资料,也是保障产量和品质的基础之一。在中国,农药的使用,每年可以减少约1000亿元的直接经济损失。在全球,每年的农药市场规模,都在600亿美元以上。
与此同时,农药毒性产生的副作用,以及病虫害的抗药性,也使得农药的使用面临着严峻的挑战,杨青介绍,″加速研发安全、新作用机制的农药是有效解决途径,其科学问题的核心在于农药分子靶标,即病虫害体内与农药分子结合、从而使农药分子发挥药效的生物大分子。这些生物大分子,主要是在病虫害生长发育过程中不可或缺的蛋白质、酶、多肽和核酸等。目前全球广泛使用的杀虫剂中70%的品种只针对5个分子靶标,广泛使用的杀菌剂中60%的品种只针对3个靶标。长期使用针对单一靶标的农药很容易使病虫害产生高的抗药性,最终导致农药无法控制病虫害种群而出现病虫害爆发频发的灾害,这也是全球农业病虫害防控所面临的重大问题。″
几丁质合成酶结构的发现,为生物农药提供了新的靶标。中国工程院院士、贵州大学校长宋宝安指出,在今天,对于绿色农药分子靶标的开发和利用已经成为国家的重大需求,一个新的靶标不仅可以催生出几十甚至上百种农药品种,也能极大缓解已有农药品种的抗药性问题。几丁质合成酶的三维结构,无疑是一个公认的绿色的农药分子靶标。
里程碑,全球农药基础性研究取得突破
″这一成果具有里程碑的意义,是全球农药创新研究与开发近几十年来最重要的基础性进展之一。标志着中国农药研发水平提升到了基础理论原始创新的高度。″钱旭红说。
可以抑制几丁质合成的生物农药究竟有何前景？以该研究所选取的大豆疫霉菌为例,这是全球大豆生产中普遍的病害来源之一,是引起大豆根茎腐烂的主要病原体,每年造成超过10亿美元的经济损失。
马铃薯疫霉也是如此,它是马铃薯晚疫病的病原体,十九世纪中期,由马铃薯晚疫病引发的爱尔兰大饥荒,曾经使上百万人饿死,在今天,它依然是马铃薯生产中最重要的病害之一。
″如果我们研发出相关的活性小分子农药,可以更有效地抑制大豆疫霉菌、马铃薯疫霉的几丁质合成,那将有助于保障大豆、马铃薯等重要农作物品种的安全生产。″杨青说。
据了解,该研究得到国家自然科学基金重点项目、国际(地区)合作与交流项目、中国农业科学院农业科技创新工程、深圳市科技计划项目及深圳市大鹏新区科技创新与产业发展专项资金等项目的资助。中国农业科学院植物保护研究所为论文的第一完成单位,植保所陈威副研究员、北京工业大学曹鹏教授和大连理工大学刘元盛博士为本文共同第一作者,植保所杨青教授和中国科学院高能物理所龚勇研究员为共同通讯作者。中国农业科学院深圳基因组研究所于爱玲博士后、陈磊博士后,大连理工大学王栋博士,天津大学尉迟之光教授、Rajamanikandan Sundarraj博士后,以及德国锡根大学Hans Merzendorfer教授也参与了本文的研究。
三大院士点评
中国科学院院士、河北大学校长康乐表示：″该研究是生物学领域的一项重大进展,团队利用冷冻电镜,首次从原子尺度揭示了由几丁质合成酶催化完成的一个多步骤、定向的几丁质生物合成过程。几丁质合成酶及其与底物、产物以及抑制剂结合的结构信息,也为针对几丁质合成酶理性设计小分子从而控制有害昆虫的种群数量带来了新曙光″。
中国工程院院士、贵州大学校长宋宝安指出：″该研究解析了一个公认的绿色农药分子靶标--几丁质合成酶的三维结构,阐明了几丁质生物合成的机制和抑制剂的作用机制,是我国科学家在农药分子靶标研究领域的一个里程碑,有助于创制出重量级的绿色农药品种,提升我国农药产业的核心竞争力和对农业有害生物的防控能力″。
中国工程院院士、华东师范大学校长钱旭红表示：″该研究突破了几丁质这种生态环境友好型农药领域一个近50年的发展瓶颈,为人类数十年以来未能实现的梦想提供了舞台：基于几丁质合成酶的结构精准设计绿色农药。此研究成果标志着中国农药研发水平提升到了基础理论原始创新的高度。该工作也是全球农药创新研究与开发近几十年来最重要的基础性进展之一″。