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农药标靶肌球蛋白3D结构首次绘制成功
2020-04-14 14:58:53  来源:中国科学报

安全性及抗药性等问题是新农药开发和应用过程中需要重点解决的问题。近日,南京农业大学杀菌剂生物学团队揭示了杀菌剂作用靶标——肌球蛋白的三维结构。未来,在该成果基础上开展新型杀菌剂的设计和生产,有望实现“一把钥匙开一把锁”的精准靶向杀菌。国际微生物学期刊美国《公共科学图书馆—病理学》(PLOS Pathogens)在线发表了这一成果。

在近140年的现代杀菌剂发展史上,人类先后研发了400多种杀菌剂用于植物病害的化学防控。这些杀菌剂有的对其他生物产生毒副作用,有的作用位点单一使得有害病原物容易产生抗药性。

受制于研究手段的不足,目前探明的杀菌剂作用的分子靶标或受体蛋白只有20多种,其中具有重要研发利用价值的杀菌剂分子靶标更是屈指可数。此前,科学家一直没有在结构层面上阐明任何一个靶标蛋白与药剂是如何相互作用的,以致新型杀菌剂创制的盲目性大,周期越来越长,成本越来越高,而且难以解决“杀敌一千,自损八百”的问题。

如何解决这个问题,研制出能精确识别“敌友”的智能杀菌手段?论文通讯作者、团队负责人周明国认为,科研工作“要模拟到生物体内的真实情况”。该团队经过近20年的不断探索,发现了一种重要的新靶标——肌球蛋白-5。这种靶标具有“马达”般的超强活力,在细胞营养运输中具有提供能量的关键作用,是病菌生命活动的马达蛋白。

论文共同通讯作者、南京农业大学教授张峰介绍,利用结构生物学方法,他们首次获得小麦赤霉病菌肌球蛋白分辨率为2.65Å 的晶体结构,揭示了植物病原丝状真菌肌球蛋白与其抑制剂的互作特征,同时揭示了氰烯菌酯抑制肌球蛋白ATP酶活性的分子机制。

基于三维结构,研究还发现了新的与氰烯菌酯结合的氨基酸位点,并证明其中重要的氨基酸位点M375在不同真菌中的遗传分化决定了肌球蛋白对氰烯菌酯的敏感性。研究提出了针对肌球蛋白K375设计对稻瘟病菌等具有高活性的新型广谱肌球蛋白抑制剂的可能性。

周明国告诉《中国科学报》,这就相当于给靶标肌球蛋白绘制了一幅3D效果的立体解剖图,揭示了肌球蛋白的功能位点以及可以与化合物互作的关键氨基酸,这将有助于避免农药创制的盲目性,大幅度提高新型杀菌剂的抗菌活性和安全性。

周明国解释道,每一种生物的肌球蛋白就像是每个房间的锁芯,只要探明了需要打开房间的锁芯结构,就可以有针对性地配上专门的“钥匙”,这样既能满足“解锁”的需求,又能保证其他门锁的安全。不仅如此,由于精准掌握了病原菌的这种蛋白与药剂结合的关键氨基酸,就能发现他们的变化规律,提前“预知”产生抗药性的机制和速度,从而采取预防手段,确保精确武器的长期有效性。现实生产中,一种新型农药的研发需要合成10多万个化合物,花费10年的时间,而抗药性的产生往往三五年就够了。

该研究成果揭示了杀菌剂作用靶标蛋白与小分子化合物亲和互作的精细结构特征,为快速发展颠覆性靶向杀菌剂,有效解决新农药创制跟不上抗药性发展速度的问题提供了新方法。同时,对于推动农业有害生物的农药受体结构生物学研究和靶向农药发展具有引领性作用。

镰刀菌肌球蛋白结构     南京农大供图

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