(修改)农药分子设计的发展现状与展望

新农药分子设计的发展现状与展望摘要：本文简要回顾了农药分子设计的发展，重点评述了生物技术在新农药设计中的应用,并列举了若干药物分子设计的成功例子 ,最后提出了该领域在 21 世纪的发展前景。关键词：农药分子设计；生物技术；发展；展望农药是保障现代农业可持续发展必不可少的重要战略物质，而传统农药在保障农业生产的同时也给环境生态和食品安全带来了严重危害。发展绿色化学农药是新农药创制研究的必然趋势。农药分子符合环保、健康、持续发展理念的高效、低毒、低残留、与环境相容的农药开发,已成为当今农药研究的主题。在进行农药的分子设计时,一般是保留活性子（A）而改变修饰子(M),这样将可能从一个原始的具有生物活性的化合物卫（PC）出发,设计出一系列的新农药,这种方法称之为活性子方法1。1新农药开发的思路途径农药是一类具有特定生物活性功能的化学物质，它兼有化学和生物学的两重属性。新农药分子设计的基本思路必然要以化学和生物学相结合的知识体系为基础。从化学的角度要考虑化台物分子结构的合理性和合成的可能性，预测其理化性质等等。从生物学的角度要考虑化合物对假定靶标可能产生的生物活性，预测其生物效应等等。这些考虑或预测都必须充分利用前人积累的有关经验和知识。当然，研究者凭灵感的大胆设想也是重要的。随着农药科学的发展和品种的增多，有关知识日益丰富，农药分子设计的思路和方法也不断在改进提高。1.1 先导化合物 新农药品种的研究开发是一项复杂的系统工程。需要许多学科事业的科技人员分工协作，按照组织严密的工作程序。进行系统的研究和试验。整个研制过程大体可划分为“研究”和“开发”两大阶段。人研究阶段主要目的是从大量化台物中筛选新的农药活性化合物， 从中发现先导化合物(lead compound)，经过结构优化、选出有希望的候选化合物。在开发阶段，则对候选化台物进行应用开发试验和安全性评价，最终选定最佳的新农药品种，实现工业化和商品化。发现和选定先导化合物是新农药研究阶段的关键环节。1.2类同合成类同合成(analogue synthesis)也称衍生合成或周围合成。这种思路途径是从某个已开发新农药的分子结构出发，谋求开发同一系列衍生物新品种，或者以该化合物作为先导化合物，进行较多的结构改变，期望发现新的二次先导化合物，从而开发出化学结构不同于原化合物的新品种。类同台成的分子设计思路有明确的定向性，有“跟着走”的意思，所以有人称之为“me too”。类同合成较高层次的分子设计思路，是对己开发品种的分子结构进行较大改变，包括骨架结构的改变，以谋求新的二次先导化台物，进而开发出新型化学结构的品种。这种方法主要有两种思路途径，一是亚结构连接法，二是利用生物等排原理来改变结构。类间合成途径的生物筛选，既可采用随机合成同样的普筛体系，也可采用特定靶标的定向筛选。采用普筛的优点是可能发现意外的新的生物活性，但缺点是工作量大。采用定向筛选的优点是目标集中，可节省人力财力。一般低层次的类同合成由于化学结构改变不大，目标是重点跟踪母体化合物的生物活性以来用定向筛选为宜。对于高层次的类同合成来说，由于化学结构改变较大生物活性发生变化的可能性也大，因此采用普筛比较适合，若只用定向筛选，则会失去偶然发现的机会。总之生物筛选应根据分子设计的具体情况而定。1.3生物合理设计生物合理设计(biorationaldesign)是利用靶标生物体生命过程中某个特定的关键生理生化作用机理作为研究模型，设计和合成能影响该机理的化合物，从中筛选先导化合物，然后优化结构来开发新药的一条研究开发途径。选择各种代谢机理和酶及受体的功能机理作为开发新农药的研究靶标范围非常广阔。除此之外，还有很多可供选择的作用机理。例如，昆虫和植物的激素功能，昆虫信息素作用机理，昆虫的生殖机理，昆虫和病原微生物的抗药性帆理，昆虫的感觉机理，植物的解毒讥理，农药混用的增效机理，等等。通过各种作用机理的阐明，选择适当的靶标模型，设计和合成合乎机理的先导化合物，完全有希望开发成功各种常规新农药和具有特异性能的新农药，诸如昆虫和植物的生长调节剂，昆虫行为控制剂，拒食剂，不育剂，增效剂，除草剂解毒剂，具有负交互抗性的杀虫剂或杀菌剂，等等。总之，生物合理设计的研究领域极广，凡有作用机理都可作为靶标。生物合理设计作为农药研究开发的一条新的途径尽管目前尚在研究探索时期，成果不及传统途径，但是发展前景是广阔的。今后在有关基础研究深入进展之后，将会逐步成为有效相有潜力的开发途径。1.4天然生物活性物质模型天然生物活性物质模型(natural bioactive substance model)的思路途径、是从生物合成的天然物质中发现生物活性和选择先导化合物来开发新药。这条途径除化合物来源不同外。在方法上与随机合成的类同合成并无本质差别，但是具体研究手段则有所不同。从天然物质巾开发农药已有悠久历史。例如三大植物性杀虫剂(除虫菊、面藤、烟草)已被应用数百年。不过，这些低水平开发的古老天然农药难以与近半个世纪以来迅速发展的合成化学农药相竞争而渐被淘汰。由于天然物质相关的基础科学发展相对缓慢，使天然物质的开发利用一时较显沉寂。但时至今日情况已有改变。一方面，由于合成农药开发途径的成功率不断下降，多年来累计已有数以百万计的合成化合物被筛选过，使得设计新型结构化合物的思路受到很多限制、不得不寻求新的研究途径。另一方面，有关天然物质的基础研究已有长足进展，特别是诸如提取、分离、微量分析和结构鉴定等研究手段有了很大提高，使得天然物质的研究开发有了良好的知识基础和先进的实验条件。因此，近年来在开辟新途径的需要和具备高水平研究条件的情况下，对天然物质的研究已重新引起广泛的兴趣。许多研究单位已在此领域投入较多力量，希望从这个天然资源宝库中寻求发现农药活性化合物。虽然天然活性物质途径研究者相对较少且难度较高，以致成果还不及人工合成途径那样众多，但是已有不少成功例子足以说明该途径是大有希望和潜力的。2 新农药研究进展2.1 生物技术在新农药中的应用 近年来,生物技术在现代农药中的应用日益广泛,如工程微生物农药和转基因植物农药的研发、农药新靶标的发现、仿生农药的生物合成、农药残留的生物治理和快速检测等2。如苏云金芽孢杆菌(Bt)是目前世界上产量最大、应用最广的杀虫微生物,通过基因重组技术将外源杀虫晶体蛋白基因 cry1C 整合到野生受体菌的染色体基因组 ,可以提高受体菌的杀虫活性并拓宽杀虫谱3。苏云金芽孢杆菌营养期杀虫蛋白(VIPs)与杀虫晶体蛋白相比具有特异的杀虫谱系和不同的作用机制,蔡启良等4克隆了一个新型基因 vip83,将带有 cry3A启动子的 vip83 基因导入 Bt 高毒力野生菌株 YB T21520中,得到了高效广谱工程菌BMB696B,该菌株对棉铃虫和甜菜夜蛾具有很高的毒力5。又如从植物中寻找活性先导化合物,然后全合成、半合成或化学修饰以获得更优秀的化合物,一直是仿生农药研究的重要内容。生物技术的发展为植物源农药的生物合成提供了手段,如植物细胞培养技术、发状根培养技术、内生真菌培养技术等。杀虫植物印楝的组织培养、株再生及其细胞悬浮培养系的建立,为印楝素的大规模生产开辟了有效途径6。在除虫菊细胞培养研究方面筛选了合适的培养基,选育了优良的无性系个体7。烟草、长春花、狼毒、菖蒲等多种具有杀虫、杀菌活性的植物的细胞培养等基础工作已有开展8。生物技术在现代农药中的应用占有重要地位,利用生物技术不仅可设计和生产新一代高效、低毒、无污染的防病和杀虫微生物农药,减轻病、虫害对农作物所造成的损害,降低化学农药的使用量,而且在农药快速检测、农药残留治理等方面也均已取得显著成就。在农药作用靶点、仿生农药等研究领域也日益发挥着重要作用。生物技术的进步已经为农业的可持续发展开辟了行之有效的途径 ,为现代农业的健康发展奠定了坚实基础。2.2 计算机辅助技术应用于新农药分子设计 随着计算机技术的迅速发展,其在医药、农药等研究领域正更广泛的应用。例如,在立体构象及电子结构的剖析等方面的应用,特别是在需相当大工作量进行理论化学计算的阐明候选化合物物性方面的卓著贡献,就是一个极好的例证。对于在药（生）理活性上具有优异活性,为希望在实际应用,在候选结构的设计上也积累了不少应用例子9。随着生命科学、数学、物理学和计算机科学的相互交叉，生物信息学诞生。生物信息学是建立在生命科学、数学、物理学和计算机科学基础上的一门崭新交叉学科。在初期阶段它主要是利用基因和蛋白质编码区信息, 进行蛋白质空间结构的模拟和蛋白质功能预测。而随着基因组研究的发展,生物信息学已经渗透到药物开发的各个环节中10,为新型药物的设计提供了有力的手段。它在药物研究中的主要作用就在于可用于药物作用靶标的识别和药物作用机制等的研究,并进一步指导药物的计算机辅助分子设计,极大地拓展了创新药物研究的方法和理论, 其研究成果将对创新药物的研究产生重大影响。广泛筛选大量的合成物和天然产物是设计新农药的一个传统方法。实践证明,这种方法开发时间长、盲目性大、花费高和作用靶标不明确, 它已无法胜任新型农药的创制,迫切需要理论和技术的创新来改变这种现状。目前, 随着人们对高效、低毒、环保农药呼声的日益高涨, 新型农药的设计任务越来越艰巨,而且,分子设计是否合理是成功与否的关键11。因而, 农药学家从农药分子的设计开始就充分掌握先导化合物的靶标选择性, 提高药物的选择性和高效性, 并预先了解候选化合物的降解机制,大大缓和药物对环境的影响。如针对害虫的某种行为调控蛋白的三维结构, 合理设计。如针对害虫的某种行为调控蛋白的三维结构, 合理设计相应的化合物,将直接有效地针对害虫的某种生理行为进行调控, 改变了过去以杀死害虫为目的的防治方式; 同时, 由于化合物的设计是基于分子水平的设计, 因此将具有很高的选择性,对环境及其他生物具有较高的安全性;另外,害虫的一些种属特异性强且具有高度调控能力的大分子,如受体蛋白、 关键酶蛋白和离子通道膜蛋白等, 都可以作为药物设计的候选靶标。基于生物信息学的计算机辅助药物设计作为药物开发的新手段, 也必将给农药学家提供一种全新的农药创制方式, 大大加快新型农药的开发12。 2.3实现超高效除了低毒、低残留以及环境相容性好等特征之外，还必须要求达到超高效，即用量低（亩用量通常在10克以下）。因此，提高农药分子（化学小分子）的生物活性强度是降低农药使用量、使农药实现绿色化的一个重要前提。而如何提高农药分子的生物活性强度则是农药分子设计学家所面临的一个重要挑战。杨光富教授领导的研究组与清华大学吴嘉伟教授研究组和美国肯塔基大学湛昌国教授研究组合作，发展了一种通过优化化学小分子与生物大分子活性腔中的构象柔性残基之间相互作用来提高农药分子生物活性强度的分子设计策略，针对细胞色素bc1复合物（生物大分子）成功设计得到了一种活性强度比母体化合物提高了520多倍抑制剂（化学小分子）。由于该化合物不仅具有高活性（ki = 0.57nM），而且还具有解离速率慢（k-0 = 0.00358 s-1）的特点。因此，该化合物可以作为一种高活性探针分子用于深入研究细胞色素bc1复合物的生物学功能，同时也可以作为开发农药和药物的新先导化合物。该项研究为从化学小分子与生物大分子选择性相互作用的角度开展农药先导结构优化提供了新的思路，对药物分子设计也具有较好的借鉴意义。此外，该项研究中化学小分子与靶标的结合自由能理论计算结果与实验结果之间表现出高度线性相关，表明其分子模拟研究具有较高的精度。JACS审稿人认为，这是一项非常有意义的研究工作，也是第一次通过基于结构的合理化途径设计获得活性达到亚纳摩尔级别的bc1复合物抑制剂。论文发表后受到国际同行的关注，细胞色素bc1复合物研究领域的著名结构生物学家美国SUNY Upstate Medical University的Edward A. Berry教授以及美国NIH国家癌症研究所的Xia Di教授均来信索要样品开展合作研究。相关研究成果发表在美国化学会志杂志（J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 185-194）上。3 结语在未来相当一段时间,化学农药仍将是农药的主体。开发使植物能产生免疫诱导机制的新农药，如植物抗毒素类杀菌剂类黄酮类植物抗毒素，农药新剂型的开发及生物与生物源农药的开发将继续是研究的热潮。随着技术不断发展进步，绿色农药将越来越得到广泛应用。参考文献：1 王元正.活性子方法及其在农药设计中的应用J. 农药译丛，1999，16（2）：48-50.2 乐超银,孙明,陈守文,等. 利用整合载体构建苏云金芽孢杆菌杀虫工程菌J .遗传学报,2003 ,30 (8) :737-742.3 蔡启良,刘子铎,孙明,等.苏云金芽孢杆菌营养期杀虫蛋白基因的克隆及表达分析J .生物工程学报,2002 ,18 (5) :578-582.4 Zhu C ,Ruan L , Peng D ,et al . Vegetative insecticidal protein enhancing t he toxicity of B aci l lus thuringiensis subsp . kurstaki against S podoptera e x i gaaJ . Let t Appl Microbiol ,2006 ,42 (2