9月21日23點，《自然》雜志以長文形式，發(fā)表了我國科學(xué)家的一項最新科研成果，該研究解析了大豆疫霉菌幾丁質(zhì)合成酶的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，首次揭示了幾丁質(zhì)生物合成的完整過程，突破了過去50年來未曾突破的難題，為未來研發(fā)安全高效的生物農(nóng)藥，提供了廣闊的基礎(chǔ)。研究由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院楊青教授團隊及其合作者完成。

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)肢動物、軟體動物、環(huán)節(jié)動物、腔腸動物和原生動物等不同種類的生物中，蝦、蟹、昆蟲和其他節(jié)肢動物的外殼，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、動物安身立命的根基之一，它們出現(xiàn)在自然界的時間，要以億年為單位來計算。但人類認(rèn)識它的時間卻很短，十九世紀(jì)初，科學(xué)家才真正發(fā)現(xiàn)幾丁質(zhì)的存在，并在很短的時間里，從甲殼動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)肢動物等可以在體內(nèi)自動合成該物質(zhì)，這對它們的生存和繁衍至關(guān)重要。

兩個世紀(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，由于缺乏對生物合成幾丁質(zhì)的機理認(rèn)識，大量使用的幾丁質(zhì)，在很長時間里，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)生物合成機制在進化上是保守的。這個工作是創(chuàng)新的，無疑具有廣泛的影響力”。一位論文匿名評審表示。

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，由于植物和哺乳動物體內(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)進入II期臨床試驗。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，但實際上，這些研究卻始終進展緩慢。“其中一個重要原因，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)重阻礙了針對該酶設(shè)計新的農(nóng)藥品種。”

在中國，對幾丁質(zhì)的研究也一直在進行。大約十五年前，楊青和她的團隊就開始進行幾丁質(zhì)生物學(xué)的研究，想要從中找到幾丁質(zhì)合成的機理。

楊青介紹，在研究中，團隊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)合成酶實現(xiàn)幾丁質(zhì)生物合成的三個重要過程。

“這個過程主要有三個階段，第一個階段，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’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有方向性的、多步驟偶聯(lián)的幾丁質(zhì)生物合成過程。

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

在弄清楚幾丁質(zhì)合成過程后，楊青團隊進一步嘗試發(fā)現(xiàn)活性小分子是如何起作用的，楊青介紹，團隊以活性小分子尼克霉素為研究對象，闡釋了其抑制幾丁質(zhì)生物合成的機制。“在了解幾丁質(zhì)合成的機制后，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，究竟是在哪個環(huán)節(jié)、通過怎樣的機制起作用的。”她說。

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，即基于幾丁質(zhì)合成酶的結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)設(shè)計綠色農(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，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5個分子靶標(biāo)，廣泛使用的殺菌劑中60%的品種只針對3個靶標(biāo)。長期使用針對單一靶標(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)，無疑是一個公認(rèn)的綠色的農(nóng)藥分子靶標(biāo)。

“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)基金重點項目、國際(地區(qū))合作與交流項目、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程、深圳市科技計劃項目及深圳市大鵬新區(qū)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金等項目的資助。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護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。