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天然產(chǎn)物
——作物保護(hù)化合物開發(fā)中的一種戰(zhàn)略性先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)途徑

2020-01-17 03:36編譯
世界農(nóng)藥 2019年5期
關(guān)鍵詞:化合物菌株作物

筱 禾 編譯

(上海市農(nóng)藥研究所,上海 200032)

天然產(chǎn)物(NPs)作為活性成分的來源和大量醫(yī)藥和作物保護(hù)化合物的開發(fā)源泉由來已久。在過去的大約35年中,在某種程度上NPs占美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)全部新批準(zhǔn)藥物的30%~35%。同樣地,60多年來NPs在作物保護(hù)新活性成分開發(fā)中具有極為重要的作用。近期銷售數(shù)據(jù)(2016)表明,NPs對(duì)不同類型的作物保護(hù)化合物(殺蟲劑、殺菌劑和除草劑)開發(fā)的影響不同:對(duì)殺蟲劑的影響最大,對(duì)殺菌劑的影響次之,對(duì)除草劑的影響相當(dāng)有限(圖1)。但NPs對(duì)作物保護(hù)化合物的重要性在于其占已知作用機(jī)制(MoAs)的60%以上。以殺蟲劑為例,基于NPs/NP衍生或NP合成等效體(NPSE)(圖1)產(chǎn)品的銷售額占全球銷售額的70%以上。因此,NPs影響作物保護(hù)化合物開發(fā)的潛力依然很大。

盡管NPs的以往作用和未來潛力影響作物保護(hù)化合物的開發(fā),但 NP源的發(fā)現(xiàn)仍然面臨挑戰(zhàn)。20世紀(jì)80年代末至90年代初,醫(yī)藥行業(yè)中NP的發(fā)現(xiàn)有所下降,同期組合庫和高通量篩選興起。當(dāng)時(shí),NP庫被認(rèn)為與高通量篩選不太兼容。再加之對(duì)耗費(fèi)大量時(shí)間和精力卻收益較少的 NP開發(fā)過程日益不滿。醫(yī)藥行業(yè)偏離 NP發(fā)現(xiàn)的另一個(gè)影響因素是引入并通過了于1993年12月29日生效的生物多樣性條約,或稱生物多樣性公約(CBD)。但對(duì)“生物多樣性公約”的遵守較為復(fù)雜,并可能成為各國(guó)從其自然資源中獲益的障礙?;?NP的發(fā)現(xiàn)可能存在低收益的風(fēng)險(xiǎn);很少發(fā)現(xiàn)真正具有產(chǎn)品潛力的分子。另外,將一種新的作物保護(hù)產(chǎn)品商品化的成本越來越高,使得基于 NP的發(fā)現(xiàn)非常具有挑戰(zhàn)性。只有當(dāng)分子在模型或田間條件下表現(xiàn)出強(qiáng)大的活性時(shí),才會(huì)對(duì)作物保護(hù)化學(xué)物質(zhì)或NPs進(jìn)行投資,并且在涉及生物資源的前期費(fèi)用或長(zhǎng)期負(fù)債較高的情況下,可能會(huì)進(jìn)一步限制對(duì)NPs的興趣和評(píng)估。最理想的情況是,各國(guó)降低生物資源的準(zhǔn)入成本,對(duì)稀有成果的利益分享做出明確的法律定義。

尋找新NPs的挑戰(zhàn)過去是并且仍然是一個(gè)重大問題。正如最近對(duì)過去45年中發(fā)現(xiàn)的NP進(jìn)行的分析所觀察到的那樣,每年都會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的NP,但發(fā)現(xiàn)真正新穎的NP是成比例減少的。Pye等人的潛在影響研究發(fā)現(xiàn):⑴ 許多NP已被鑒定,但尚未深入探索生物效用或新機(jī)遇,以及⑵ 如果要發(fā)現(xiàn)新穎NP,則需要不同的NP發(fā)現(xiàn)來源和方法。

圖1 天然產(chǎn)物(NPs)、半合成產(chǎn)品、NP仿生產(chǎn)品或具有NP模型但通過其他手段[NP合成等效體(NPSE)]發(fā)現(xiàn)的化學(xué)領(lǐng)域?qū)?016年終端用戶銷售的影響

與醫(yī)藥行業(yè)不同,作物保護(hù)公司對(duì)NPs的興趣并沒有以同樣的方式下降。對(duì)NPs作為新作物保護(hù)化合物來源的興趣的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)是,參與新除草劑、殺菌劑和殺蟲劑開發(fā)的作物保護(hù)公司每年平均發(fā)表的有關(guān)NPs的出版物數(shù)量。與醫(yī)藥行業(yè)形成對(duì)比的是,作物保護(hù)(農(nóng)化)行業(yè)對(duì) NPs的興趣已有一段時(shí)間了,特別是從20世紀(jì)90年代開始(圖2),就像醫(yī)藥行業(yè)的興趣正在下降一樣。但圖2中的數(shù)據(jù)也可能是對(duì)行業(yè)興趣和研究工作的低估,因?yàn)樾袠I(yè)中對(duì)出版的重視程度低于學(xué)術(shù)。20世紀(jì) 90年代初在 20個(gè)作物保護(hù)公司中進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查的結(jié)果也證實(shí)了業(yè)界對(duì)NPs的興趣,其詳細(xì)說明了對(duì)NPs作為新農(nóng)用化學(xué)品起始點(diǎn)的來源的濃厚興趣。

圖2 參與新農(nóng)用化學(xué)品開發(fā)的作物保護(hù)公司每年關(guān)于天然產(chǎn)物(NPs)的平均文章數(shù)

作物保護(hù)研究機(jī)構(gòu)利用了許多開發(fā)方法,NP源的開發(fā)只是其中之一。此外,有關(guān)開發(fā)一種新的作物保護(hù)產(chǎn)品的嚴(yán)重挑戰(zhàn)包括將一種分子商品化所需的時(shí)間持續(xù)增加,平均為10~12年,以及發(fā)現(xiàn)和開發(fā)一種新的農(nóng)藥產(chǎn)品的成本最終估計(jì)為 2.86億美元。因此,農(nóng)化公司尋求增加成功概率和加快產(chǎn)品構(gòu)建的方法至關(guān)重要(圖 3)??频先A農(nóng)業(yè)科技公司(CAS)采用的一種策略是開發(fā)利用NPs。如上所述,相當(dāng)比例的作物保護(hù)化合物的已知 MoA的確定與NPs有關(guān)或可能有關(guān)。因此,NP源開發(fā)項(xiàng)目仍有可能發(fā)現(xiàn)具有新穎MoA的新作物保護(hù)化合物,這是作物保護(hù)產(chǎn)品開發(fā)的重要途徑之一。盡管作物保護(hù)行業(yè)對(duì)NPs的興趣由來已久,但NP源的開發(fā)仍然是為新的作物保護(hù)化合物提供靈感和產(chǎn)品的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的來源。雖然1993年參與調(diào)研的大部分(65%)公司在利用 NPs作為開發(fā)手段方面取得了一些成功,但這些公司中的大多數(shù)已經(jīng)放棄了獨(dú)自進(jìn)行NP開發(fā),更多的是采用對(duì)外協(xié)作。如今,很少有公司獨(dú)立開展有關(guān)NPs分離和鑒定的項(xiàng)目。偏離NP源開發(fā)的原因有如下幾點(diǎn)。首先,如上所述,是尋找真正的新的NPs的根本挑戰(zhàn)和難題。其次,很少有NPs作為作物保護(hù)產(chǎn)品直接應(yīng)用時(shí)具有穩(wěn)定的理化性質(zhì),可能需要一定程度的半合成以解決轉(zhuǎn)化和/或穩(wěn)定性限制以及提高藥效。最常見的是,NPs最適合作為合成模擬的靈感。但是,將復(fù)雜的 NP變成可合成的化學(xué)物質(zhì)可能比其他先導(dǎo)化合物產(chǎn)生方法所耗時(shí)間更久。

在CAS(前陶氏益農(nóng)公司)公司內(nèi),NP源的開發(fā)是有著悠久歷史的先導(dǎo)化合物產(chǎn)生方法,始于禮來(Elanco)公司的NP研究,后轉(zhuǎn)入1989年創(chuàng)辦的陶氏化學(xué)與 Elanco作物保護(hù)合資企業(yè)(DowElanco)進(jìn)行。在20世紀(jì)40年代,禮來公司是生產(chǎn)抗生素——青霉素的主要公司之一,隨后在50年代和60年代開發(fā)并成功上市了微生物源抗生素——紅霉素(erythromycin)、萬古霉素(vancomycin)、頭孢霉素(cephalosporin)和泰樂霉素(tylosin)。DowElanco/DAS/科迪華農(nóng)業(yè)科技公司對(duì)NP源先導(dǎo)化合物產(chǎn)生的興趣持續(xù)高漲,部分是由于成功發(fā)現(xiàn)并開發(fā)了多殺菌素(spinosad),該化合物是一種土壤微生物產(chǎn)生的NPs,其是自然產(chǎn)生的具高殺蟲活性大環(huán)內(nèi)酯spinosyns A、D混合物。對(duì)NP源殺蟲劑的持續(xù)關(guān)注激勵(lì)了第2個(gè)基于spinosyns的半合成殺蟲劑乙基多殺菌素(spinetoram)的開發(fā)。在此過程中,發(fā)現(xiàn)的一類新的spinosyns(21-丁烯基)和利用spinosyn生物合成途徑生成新的spinosyn衍生物也有助于保持研究NPs的興趣。最近,科迪華公司NP源開發(fā)項(xiàng)目繼續(xù)推出新的作物保護(hù)化合物,包括新殺菌劑fenpicoxamid和 florylpicoxamid 以及新的具殺蟲活性合成spinosyn類似物。如上所述,NP源開發(fā)項(xiàng)目的重要優(yōu)勢(shì)之一是提高了發(fā)現(xiàn)具有新穎MoAs的作物保護(hù)化合物的可能性。這一結(jié)果在spinosyns和新的殺菌化合物中得到了驗(yàn)證,并進(jìn)一步促進(jìn)了CAS對(duì) NP源先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)的興趣。下文將討論科迪華公司 NP開發(fā)的途徑,包括對(duì)菌株保藏的概述,并對(duì)科迪華公司經(jīng)典 NP開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行重點(diǎn)介紹,最后展望未來,用新途徑加快NP開發(fā)的選擇。

1 先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)方法

如上所述,作物保護(hù)產(chǎn)品開發(fā)中的先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)方式多種多樣。在CAS,這些被劃分為3個(gè)大的方面:競(jìng)爭(zhēng)者啟發(fā)(competitor inspired activities)、生物活性假說(bioactive hypotheses)以及NP發(fā)現(xiàn)(圖3)。競(jìng)爭(zhēng)啟發(fā)先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)方法某種程度上明顯是致力于從專利和科學(xué)文獻(xiàn)中拾遺,是一種被廣泛采用和推出商業(yè)化產(chǎn)品的成功途徑。話雖如此,此途徑在CAS的實(shí)施情況略有不同,因?yàn)槠淠康氖谴_定開發(fā)和推出新穎農(nóng)藥活性基序(motifs)和骨架的起始點(diǎn),而不是找到知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面的漏洞并獲得衍生類似物的權(quán)利。先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)的第2種途徑是生物活性假說,生物活性先導(dǎo)化合物到生物農(nóng)藥活性的概念是此途徑的核心。研究人員確定了在任一體系、細(xì)胞或整個(gè)有機(jī)體中表現(xiàn)某種生物反應(yīng)的特異骨架、基序、官能團(tuán)以及化合物。這證實(shí)了在開發(fā)新化合物時(shí)引入此類骨架、基序或官能團(tuán)誘發(fā)某種生物反應(yīng)的可能性更大的觀點(diǎn)。這種證據(jù)和核心(如骨架)與生物反應(yīng)間的相關(guān)性越強(qiáng),就越有可能觀察到新化合物的生物活性。此外,這一途徑取決于早期確保在化合物中構(gòu)建理想的物理特性,以增加從離體細(xì)胞測(cè)試到活體植物和昆蟲測(cè)試的轉(zhuǎn)化。第3種先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)途徑以NPs為中心。NP發(fā)現(xiàn)已經(jīng)且依然是科迪華公司發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物的三大支柱之一,一定程度上是受NP源產(chǎn)品的影響,如spinosyns(多殺菌素、乙基多殺菌素)帶來超過4億美元的終端銷售額(2014-2016年)。在近 30年,DowElanco/陶氏益農(nóng)/科迪華農(nóng)業(yè)科技公司NP發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目的根本是新的、新穎的NPs的鑒定和分離。為了最大限度地提高發(fā)現(xiàn)新穎活性分子的機(jī)會(huì),已對(duì)生物多樣性投入進(jìn)行了仔細(xì)審查。

圖3 利用一系列途徑發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)物

2 天然產(chǎn)物保藏庫

傳統(tǒng)生物學(xué)假設(shè)生物多樣性分布不均,在熱帶和海洋環(huán)境以及大自然中而非城市和景觀中的可觀測(cè)物種數(shù)量豐富。為了對(duì) NP發(fā)現(xiàn)的多樣性進(jìn)行取樣,在過去30年,科迪華的NP項(xiàng)目約有90%的投資是與50多個(gè)私人、學(xué)術(shù)和政府實(shí)體合作的結(jié)果。通過第三方采購(gòu),可以從廣泛的地理、環(huán)境和分類學(xué)來源對(duì)生物多樣性進(jìn)行采樣。在過去25年中,第三方來源的科迪華NP發(fā)現(xiàn)包括850 000多個(gè)NP提取物和2 500多個(gè)NPs純品。其中的絕大多數(shù)都是在2013年之前篩選的。從那時(shí)起直到現(xiàn)在,科迪華已轉(zhuǎn)向更有針對(duì)性的NP投資途徑。

科迪華NP發(fā)現(xiàn)工作的其余部分(約10%)致力于對(duì)科迪華菌種保藏庫中的微生物(細(xì)菌、放線菌和真菌)進(jìn)行評(píng)價(jià)(圖4)。該菌種保藏庫約有44 000個(gè)菌株,主要是由科迪華、禮來和Mycogen公司的科研人員歷經(jīng)30多年從美國(guó)土樣中分離所得。從第三方購(gòu)買了大約10 000個(gè)菌種。有三分之一的生物體是因關(guān)注新抗蟲性狀的發(fā)現(xiàn)而獲得的,其余的是為了發(fā)現(xiàn) NP所得。該保藏庫在很大程度上沒有分類學(xué)特征,因?yàn)樗窃诩僭O(shè)來源的多樣性導(dǎo)致生物活性的多樣性的前提下以高通量方式組合的。最近使用16S測(cè)序表征該保藏庫的研究揭示了廣泛的分類學(xué)多樣性,如圖4所示。該保藏庫的生物體分為3類:14 400個(gè)細(xì)菌(性狀為主)、10 000個(gè)真菌(NP為主)和19 800個(gè)放線菌(NP為主)。細(xì)菌保藏庫包括6 800個(gè)蘇云金芽孢桿菌(Bt)菌株和7 600個(gè)非Bt細(xì)菌菌株(圖 4)。大部分非 Bt細(xì)菌菌株屬于非絲狀放線菌屬,如微球菌(Micrococcus)和短小桿菌(Curtobacteria)。這10 000個(gè)真菌菌株中盡管有相當(dāng)數(shù)量的植物病原真菌和昆蟲病原真菌,但主要是未鑒定的土壤真菌。19 800個(gè)放線菌菌株大多屬于絲狀放線菌屬,包括約50%的鏈霉菌和50%的稀有放線菌,如小單孢菌(Micromonospora)、糖多孢菌(Saccharopolyspora)、游動(dòng)放線菌(Actinoplanes)(圖4)。最近,對(duì)微生物基因組的研究表明,微生物,特別是放線菌和真菌具有大量在正常實(shí)驗(yàn)室條件下不表達(dá)的神秘生物合成途徑。因此,科迪華菌種保藏庫中的菌株對(duì) NP發(fā)現(xiàn)的深入研究具有重要的價(jià)值。游動(dòng)放線菌保藏庫將是科迪華公司未來幾年的熱點(diǎn),將利用代謝基因組學(xué)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖4 原陶氏益農(nóng)(現(xiàn)科迪華)菌種保藏

3 天然產(chǎn)物鑒定策略

用于鑒定發(fā)酵液或提取物中令人關(guān)注的NPs的策略通常有2種:⑴ 以生物活性為基礎(chǔ)的策略或⑵以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的策略(圖5)。以生物活性為基礎(chǔ)的策略包括對(duì)粗提物/發(fā)酵液進(jìn)行生物測(cè)試評(píng)價(jià),如離體殺菌測(cè)試。具有活性的粗提物/發(fā)酵液隨后被分餾,并進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳餃y(cè)試再次評(píng)價(jià)。對(duì)確認(rèn)生物活性的組分進(jìn)行純化,利用NMR和MS對(duì)任一分離化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定。以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的策略從對(duì)粗提物/發(fā)酵液中獨(dú)特的結(jié)構(gòu)/物理性質(zhì)屬性的分析評(píng)價(jià)開始。根據(jù)分析評(píng)估,與已有的科迪華 NP保藏庫進(jìn)行對(duì)比,以新穎性對(duì)粗提混合物進(jìn)行分餾。對(duì)組分的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行重新評(píng)估,隨后進(jìn)行提純,并進(jìn)行生物活性測(cè)試。盡管時(shí)間很長(zhǎng),但科迪華對(duì)基于生物活性的策略的關(guān)注已被證明在鑒定農(nóng)化相關(guān)NPs方面卓有成效。目前使用的具體工作流程和篩選級(jí)聯(lián)(screening cascade)如圖6所示??频先A基于生物活性的NP發(fā)現(xiàn)策略發(fā)現(xiàn)了50多種化合物被歸類為苗頭化合物(hits),7種具更特別特性的化合物,包括更高的生物活性,被歸類為活性化合物(actives)。應(yīng)該注意的是,NP苗頭化合物必須滿足科迪華自己的效用閾值,這與前面討論的其他先導(dǎo)化合物生成方法得到的苗頭化合物和活性化合物類似。從1 665種提取物中提取的這些分子具有足夠用于進(jìn)一步測(cè)試的活性。共有704個(gè)提取物被分餾,發(fā)現(xiàn)了50多個(gè)新穎的苗頭化合物。對(duì)從供應(yīng)商或合作者處獲得的2 500個(gè)純NPs進(jìn)行靶標(biāo)篩選,得到了100多個(gè)苗頭化合物和4個(gè)活性化合物。這些分子因獨(dú)特的化學(xué)或生物活性被先驗(yàn)選擇,因此具有較高的初始命中率。

圖6 目前科迪華公司用于天然產(chǎn)物(NP)發(fā)現(xiàn)的途徑

4 實(shí)例研究

科迪華在具殺蟲活性NPs研究中取得了巨大的成績(jī),特別是多殺菌素和乙基多殺菌素,最近還開發(fā)了spinosyns的簡(jiǎn)化合成模擬物。這些為NP研究工作提供了平臺(tái)。因此,從這個(gè)角度來看,實(shí)例研究將側(cè)重于NP研究工作因與spinosyn相關(guān)NP工作的遺留和成功而成為可能。

例如科迪華關(guān)于mevalocidin的前期工作利用這種方法成功地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)感興趣的新NP (圖7)。在Mycosynthetix的海量真菌提取物篩選中,科迪華從Coniolariella屬的 2個(gè)真菌菌株 MSX92917(DA092917)和 MSX56446 (DA056446)的靜態(tài)培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)了mevalocidin。Mevalocidin對(duì)禾本科和闊葉雜草具有廣譜苗后活性。用mevalocidin處理的植物癥狀表明其對(duì)禾本科雜草和闊葉雜草具有新穎的作用機(jī)制和雙向移動(dòng)性(ambi-mobility)。雖然NP以高劑量施用表現(xiàn)出良好的苗后活性,但一項(xiàng)對(duì)mevalocidin的研究表明,其構(gòu)效關(guān)系范圍甚小,且到目前為止性能并未得到明顯增強(qiáng)。Mevalocidin被認(rèn)為是通過干擾細(xì)胞質(zhì)中甲羥戊酸/異戊二烯生物合成途徑的早期步驟而致效(圖7)。對(duì)擬南芥的一些初步研究表明,活化和代謝(一種原毒素)可能在mevalocidin的總體效果中發(fā)揮作用(數(shù)據(jù)未發(fā)表)。此外,生成mevalocidin所需的真菌生物合成機(jī)制尚不清楚。為了增強(qiáng)mevalocidin和/或mevalocidin類似物的效果,有必要進(jìn)行深入研究以了解生物合成、作用機(jī)制和在植物體內(nèi)的歸趨。

最近,介紹了目前正在由科迪華開發(fā)的、與日本明治制果株式會(huì)社合作發(fā)現(xiàn)的一種新穎吡啶酰胺類殺菌劑 fenpicoxamid (圖 8)的一些生物學(xué)特性。Fenpicoxamid是最初從放線菌鏈霉菌517-02發(fā)酵液中分離得到的天然抗菌化合物UK-2A的衍生物,此發(fā)酵液的提取物在離體試驗(yàn)中對(duì)大多數(shù)真菌具有很強(qiáng)的抗菌活性(圖6)。吡啶酰胺類化學(xué)物質(zhì)通過與細(xì)胞色素 BC1復(fù)合物的 Qi位點(diǎn)結(jié)合來抑制線粒體呼吸,且與作用于 Qo靶標(biāo)位點(diǎn)的甲氧基丙烯酸酯類無靶標(biāo)位點(diǎn)交互抗性。

基于上述原因,UK-2A被認(rèn)為是值得關(guān)注的半合成修飾候選物質(zhì),以優(yōu)化固有的抗菌活性和植物病原體防治所需的其他關(guān)鍵特性。由UK-2A發(fā)酵后一步合成的fenpicoxamid對(duì)歐洲最受關(guān)注的冬小麥病原物Zymoseptor tritici(同Mycosphaerella graminicola,小麥葉斑病)具有優(yōu)異的防效。憑借其新穎的生化作用機(jī)制,fenpicoxamid預(yù)計(jì)將成為歐盟谷類作物抗性治理項(xiàng)目的重要補(bǔ)充。

UK-2A所具有其他可進(jìn)行半合成修飾的結(jié)構(gòu)特征,為進(jìn)行構(gòu)效關(guān)系(SAR)研究提供了機(jī)會(huì)。合成策略側(cè)重于研究UK-2A的3個(gè)區(qū)域:替代“頭部”基團(tuán)、C7環(huán)外酯和C8芐基取代基(圖9)。制備了250多個(gè)類似物并評(píng)估了它們用于防治小麥葉斑病以及合成的可行性。這些類似物的典型合成路線如圖10所示,雖然一些結(jié)構(gòu)替換使類似物的離體藥效與fenpicoxamid相當(dāng),甚至略好,但其功效增益不值得開發(fā)。

圖7 萜類生物合成中的甲羥戊酸途徑

圖8 fenpicoxamide和UK-2A的結(jié)構(gòu)式

5 未來NP發(fā)現(xiàn)的可能方向

盡管在NPs方面的工作取得了成功,但由于高水平的重復(fù)發(fā)現(xiàn),易獲得的骨架缺乏新穎性以及上述由于生物多樣性在獲取大量樣品方面的難度,歷史上依靠采樣來自不同地理來源的大量 NP提取物不再被認(rèn)為是一條可行的途徑。經(jīng)過廣泛分析,當(dāng)前的 NP策略已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘ㄆ渌緩?,例如更?靶向性來源的NPs。

圖9 合成衍生化策略

圖10 UK-2A的3個(gè)區(qū)域的衍生化

全基因組測(cè)序、宏基因組學(xué)和合成生物學(xué)方面的最新進(jìn)展,加之更靈敏的質(zhì)譜和核磁共振性能,已經(jīng)迎來了被稱為NP發(fā)現(xiàn)的“新黃金時(shí)代”或“復(fù)興”。研究人員已經(jīng)成功地證明,基因組導(dǎo)向(genome-guided)的NP發(fā)現(xiàn)通過直接從gDNA中捕獲基因簇并隨后在異源寄主中表達(dá)得到新穎的 NP骨架。但這種方法的潛力尚未充分實(shí)現(xiàn),因?yàn)樵阼b定新穎生物合成基因簇(BGC)和隨后預(yù)測(cè)化學(xué)結(jié)構(gòu)方面存在生物信息學(xué)的挑戰(zhàn)。一種更可行的方法是基因組分析和代謝組學(xué)數(shù)據(jù)相結(jié)合,以更準(zhǔn)確地使BGC與已知和未知NP家族的關(guān)聯(lián)。這種方法的成功與產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集的規(guī)模以及多樣化的菌株保藏直接相關(guān),因?yàn)樵谙到y(tǒng)發(fā)育和NP BGCs間具有明顯的相關(guān)性。Metcalf等人的研究表明,相隔0.5%核糖體蛋白距離的2個(gè)菌株可能共享幾乎所有的NP基因簇,而相隔7%的則幾乎沒有。這種方法在發(fā)現(xiàn)新的NP骨架方面有著廣闊的應(yīng)用前景,這對(duì)于能夠大量獲得這些新穎骨架進(jìn)行SAR探討并最終用于大規(guī)模生產(chǎn)至關(guān)重要。在傳統(tǒng)的合成化學(xué)方法可能不適用或不經(jīng)濟(jì)的情況下,利用合成生物學(xué)可以獲得 NP類似物和合成的有價(jià)值中間體。利用合成生物學(xué)大規(guī)模制備關(guān)鍵前體的一個(gè)非常成功的例子是青蒿素的前體——青蒿酸的生產(chǎn)。將青蒿(Artemisia annua)的基因簇嵌入重組酵母寄主中,得到了25 g/L發(fā)酵效價(jià)的青蒿酸。

6 天然產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)缺口

必須加強(qiáng)行業(yè)和科研機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)系,取長(zhǎng)補(bǔ)短,利用NPs帶來的機(jī)遇,更好地探討這些不斷發(fā)展的技術(shù)。許多科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)分離出了新穎的NPs,但他們沒有完整評(píng)估化合物的作物保護(hù)生物活性/效用的技術(shù)手段。2018年9月25-29日在意大利Bellagio召開的“害物治理中的天然產(chǎn)品:增加其使用的創(chuàng)新方法”會(huì)議中,演講者、科研機(jī)構(gòu)以及計(jì)劃增加技術(shù)手段和降低壁壘測(cè)定這些NPs的潛在行業(yè)合作伙伴(例如科迪華)就 NPs和相關(guān)的植保測(cè)試體系間的這種關(guān)系達(dá)成了共識(shí)??频先A愿與相關(guān)科研機(jī)構(gòu)/團(tuán)隊(duì)/公司開展互利共贏合作研究。

7 結(jié) 語

NPs具有化學(xué)多樣性來源、生物功能和新穎的作用機(jī)制。作物保護(hù)公司和醫(yī)藥公司都在繼續(xù)并增加對(duì)NP研究的投入。盡管基于NP的發(fā)現(xiàn)面臨挑戰(zhàn),但鑒定新作用機(jī)制和新化學(xué)起始點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)使其成為一個(gè)值得追求的目標(biāo)。展望未來,基因組學(xué)的出現(xiàn)及其在 NP發(fā)現(xiàn)中的應(yīng)用可以加速鑒定和開發(fā) NPs或受NPs啟發(fā)的農(nóng)用化學(xué)解決方案。

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