9月21日，《自然（Nature）》以研究長文的形式在線發(fā)表中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所、深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所楊青團隊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的冷凍電鏡結構，闡明了幾丁質(zhì)生物合成的機制，從而為針對幾丁質(zhì)合成酶的新型綠色農(nóng)藥精準設計奠定了基礎。
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，對大量生物的生存和繁殖至關重要，這些生物包括許多種嚴重危害農(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)制的重要靶標之一。同時，幾丁質(zhì)在昆蟲和真菌中均為不可或缺的結構成分，因此，幾丁質(zhì)合成酶既是殺菌劑的靶標，又是殺蟲劑的靶標。
然而，在過去的50年終，靶向幾丁質(zhì)合成酶的綠色農(nóng)藥進展緩慢。其中一個重要原因是缺乏準確的幾丁質(zhì)合成酶的三維結構信息，幾丁質(zhì)合成酶的結構-功能關系不明確，嚴重阻礙了針對該酶設計新的農(nóng)藥品種。
該研究選取了大豆疫霉菌(Phytophthora sojae)的幾丁質(zhì)合成酶PsChs1為研究對象，通過前沿生物學技術包括冷凍電鏡、掃描電鏡、X射線衍射等，解析了5個不同催化反應狀態(tài)PsChs1的三維結構，揭示了幾丁質(zhì)合成酶實現(xiàn)幾丁質(zhì)生物合成的三個重要過程：酶與底物結合、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)提供了基礎性、關鍵性信息，使得以幾丁質(zhì)合成酶為分子靶標精準開發(fā)新型綠色農(nóng)藥成為科學可行的方案。
中國科學院院士、美國科學院外籍院士、河北大學校長康樂指出，幾丁質(zhì)的生物合成對昆蟲和節(jié)肢動物外胚層形成的外骨骼、氣管、消化道等的成形和發(fā)育至關重要，而且是許多微生物的碳氮來源。該研究利用冷凍電鏡，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多步驟的、定向的幾丁質(zhì)生物合成過程，是生物學領域的一項重大進展。
中國工程院院士、貴州大學校長宋寶安指出，對于綠色農(nóng)藥分子靶標的開發(fā)和利用已經(jīng)成為國家的重大需求，一個新的靶標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。該研究解析了一個公認綠色的農(nóng)藥分子靶標——幾丁質(zhì)合成酶的三維結構，闡明了幾丁質(zhì)生物合成的機制和抑制劑的作用機制，是我國科學家在農(nóng)藥分子靶標研究領域的一個里程碑，有助于創(chuàng)制出重量級的綠色農(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、華東師范大學校長錢旭紅認為，該研究突破了幾丁質(zhì)農(nóng)藥領域一個近50年的發(fā)展瓶頸，通過在原子尺度上對幾丁質(zhì)合成酶與底物、產(chǎn)物和抑制劑的結合模式的分析，為人類數(shù)十年以來未能實現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境友好農(nóng)藥的夢想提供了實現(xiàn)的舞臺：基于幾丁質(zhì)合成酶的結構精準設計綠色農(nóng)藥。此研究成果具有里程碑的意義，標志著中國農(nóng)藥研發(fā)水平提升到了基礎理論原始創(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性進展之一。
中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所為論文的第一完成單位。植物保護研究所副研究員陳威、北京工業(yè)大學教授曹鵬和大連理工大學博士劉元盛為本文共同第一作者，楊青和中國科學院高能物理研究所研究員龔勇為共同通訊作者。
