幾丁質(zhì)俗稱甲殼素，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，是地球上含量最豐富的氨基聚糖。幾丁質(zhì)的生物合成也是最古老的生物合成途徑之一。

9月21日，中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所/農(nóng)業(yè)基因組研究所楊青教授團隊及其合作者在國際知名學術(shù)期刊《自然》(Nature)以研究長文的形式在線發(fā)表了歷時十五年完成的一項研究成果。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，包括三個步驟：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)生物合成的機制。

農(nóng)藥研發(fā)亟需找尋新靶標

農(nóng)藥使用每年為國家減少約1000億元直接經(jīng)濟損失，但農(nóng)藥毒性和病蟲害產(chǎn)生的抗藥性使農(nóng)藥使用面臨嚴峻挑戰(zhàn)。加速研發(fā)安全、新作用機制的農(nóng)藥是有效解決途徑，其科學問題的核心在于農(nóng)藥分子靶標，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。這些生物大分子可以是在病蟲害生長發(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，廣泛使用的殺菌劑中60%的只針對3個靶標。長期使用針對單一靶標的農(nóng)藥很容易使病蟲害產(chǎn)生高的抗藥性，最終導致農(nóng)藥無法控制病蟲害種群而出現(xiàn)病蟲害暴發(fā)頻發(fā)的災害，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)是由N-乙酰氨基葡萄糖構(gòu)成的天然生物高分子，其生物合成對大量生物的生存和繁殖至關(guān)重要，這些生物也包括許多嚴重危害農(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(jié)構(gòu)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。

從上世紀七十年代起，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。例如，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。

然而在過去的50年中，盡管全球各國投入了大量的人力、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，但始終進展緩慢。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(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，嚴重阻礙了針對該酶設(shè)計新的農(nóng)藥品種。

從原子水平認識幾丁質(zhì)生物合成過程

楊青教授團隊長期致力于幾丁質(zhì)生物學研究，在幾丁質(zhì)合成、水解和修飾方面具有豐厚的積累。本項成果選取了大豆疫霉菌(Phytophthora sojae)的幾丁質(zhì)合成酶PsChs1為研究對象。大豆疫霉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。基因敲除PsChs1會損害菌絲體生長、孢子囊產(chǎn)生和游動孢子釋放，從而極大降低大豆疫霉的毒力。因此，PsChs1不僅可以作為良好的殺菌劑靶標，也可以作為幾丁質(zhì)合成酶研究的一個模型。

楊青團隊通過前沿生物學技術(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：首先，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;接著，新生成的幾丁質(zhì)糖鏈通過細胞膜上的“跨膜轉(zhuǎn)運”通道釋放到細胞外;最后，釋放的幾丁質(zhì)鏈自發(fā)組裝成幾丁質(zhì)納米纖維。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。

進一步，該團隊還探明了幾丁質(zhì)合成酶與活性小分子尼克霉素結(jié)合的模式，解釋了尼克霉素抑制幾丁質(zhì)生物合成的機制。

這一工作為人畜安全的綠色農(nóng)藥創(chuàng)制提供了關(guān)鍵的分子靶標結(jié)構(gòu)信息，為控制病蟲害對現(xiàn)有農(nóng)藥的抗藥性提供了全新解決方案，為農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)的變革和綠色發(fā)展開辟了新方向。該論文是全球農(nóng)藥領(lǐng)域近年來最重要的基礎(chǔ)研究進展之一。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)合成酶為分子靶標精準開發(fā)新型綠色農(nóng)藥成為科學可行的方案，具有重要的理論和應(yīng)用價值。

為綠色農(nóng)藥研發(fā)提供新依據(jù)

《Nature》期刊論文匿名評審專家認為“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”。

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)的生物合成是一個極為古老且保守的途徑，卵菌可能是可以合成幾丁質(zhì)的最低等生物。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(guān)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(lǐng)域的一項重大進展。幾丁質(zhì)合成酶及其與底物、產(chǎn)物以及抑制劑結(jié)合的結(jié)構(gòu)信息，也為針對幾丁質(zhì)合成酶理性設(shè)計小分子從而控制有害昆蟲的種群數(shù)量帶來了新曙光。

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(jié)構(gòu)，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(lǐng)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指出，該研究突破了幾丁質(zhì)農(nóng)藥領(lǐng)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(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：基于幾丁質(zhì)合成酶的結(jié)構(gòu)精準設(shè)計綠色農(nóng)藥。幾丁質(zhì)合成機制在病蟲害中的保守性使得幾丁質(zhì)合成酶作為綠色農(nóng)藥分子靶標具有重要意義。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(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，植保所陳威副研究員、北京工業(yè)大學曹鵬教授和大連理工大學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，大連理工大學王棟博士，天津大學尉遲之光教授、Rajamanikandan Sundarraj博士后，以及德國錫根大學Hans Merzendorfer教授也參與了本文的研究。