绿色农药分子设计与5个成果转让的创制新品种

 

农药既能保障粮食安全，同时，使用农药还可以减少碳排放量，对于生态环境安全，这一点很重要。

 

有人认为，做医药研究是一件很高大上的事情，而创制农药是一件科技水平不高的事情；但是从科学分析的角度上来说，创制一个新农药其实并不比创制一个新医药来得简单；而从风险评估的角度来说，农药研究的要求更加严谨，标准更高，需要考虑的因素更加复杂。

 

1.1  环境生物的多样性

有益生物与有害生物并存，我们在控制有害生物的同时，不能对有益生物构成威胁。

 

1.2  农药防治对象的多样性

农业生产上的有害生物有昆虫、病原茵以及杂草等，这都是农药的防治对象。理想的情况下，我们希望一种农药可以防治尽可能多的有害生物，也就是说农药需要广谱性。

 

1.3  保护对象的多样性

农业生产中的农作物也是多种多样的，既有水田作物如水稻，也有早地作物如小麦和玉米，还有蔬菜及各种果树等，每种作物的生长季节及生理特性都是不一样的，这给农药创制带来了很大的挑战。

 

1.4  环境生态的多样性

环境生态条件（如日照、气候、土壤等）对农药的应用均有着重要的影响，因此不同的应用地域对农药自身的物理化学性质有着不同的要求。这一点与医药研究非常不同。例如，在美国应用很成功的农药，有可能在中国就不适合，除草剂“阔草清”就是一个典型的例子。

 

1.5  风险评估的多样性

医药的风险评估主要考虑服用人群的安全和副作用，这部分人群是主动服用。而农药的风险评估不仅仅要考虑对农作物的安全，还要考虑对接触人群（比医药的服用人群要多许多）是否安全，而这些人群往往是被动接触。农药是要释放到环境中去的，对大气、地下水和土壤以及生活在环境中的一切生物都可能产生影响，因此农药在上市前需要进行极为严格的安全性评估，如果出现了任何一项不可接受的风险，对该物质的研究需立即终止。在实际工作中，人们往往会选择某一种模式生物来开展风险评价，但模式生物毕竟不能代表全部，所以说一个产品投入实际应用后，也有可能会暴露出很多新的问题，这些问题都需要后续研究予以解决。

 

据统计，开发成功一个新农药，需要合成14万个化合物，历时超过10年，投资近3亿美元。农药的研发需要经历很多环节，但如果我们能够快速地发现候选化合物，研发周期就可能会缩短。而分子设计是发现候选化合物的核心技术，所以说分子设计是农药创制的核心。

 

实际上，由于我国的农药工业是从仿制开始的，主要任务就是工业合成。因此，这与一般意义上的化工是没有显著区别的。我国真正开始农药分子设计研究的历史还很短，也就40多年的时间，其发展历程大致可分为3个阶段。

 

第一阶段：艰难起步阶段（1970—1990）

南开大学杨华铮教授从日本农药化学之父Toshio Fujita实验室进修回国后，就将QSAR研究引入到农药的分子设计与优化中，并利用QSAR理论成功创制出新型有机磷除草剂H-9201，这是我国农药工作者真正意义上通过理论指导而设计出的第一个农药品种。

 

第二阶段：逐步推广阶段（1990—2003）

90年代初，杨华铮教授又率先在国内开展了基于靶标结构的农药分子设计研究，针对光合作用光系统Ⅱ反应中心D1蛋白的三维结构，设计合成了一系列具有高效除草活性的电子传递抑制剂。在此期间，她还将将3D-QSAR研究引入到农药分子设计中。2003年，她又主编了国内第一本《农药分子设计》教材，由科学出版社。

 

1995年，南开大学建设了国内第一台专门用于农药分子设计研究的SGI图形工作站，进一步推动了我国农药分子设计研究。在此期间，南开大学培养输送了多名从事该方向研究的博士毕业生。

 

第三阶段：蓬勃发展阶段（2004—）

该阶段以钱旭红为首席科学家的农药“973”项目《绿色化学农药的先导结构及作用靶标的发现与研究》、《分子靶标导向的绿色化学农药创新研究》的相继实施，推动了农药分子设计研究的蓬勃发展。目前，采用农药分子设计技术开展新农药创制成为我国农药研发的主流。

 

1997年，笔者在杨华铮教授的指导下获得农药学专业博士学位后，回到武汉工作，一直从事农药分子设计研究。通过多年努力，我们将现代有机合成技术、现代分子生物学技术以及计算化学技术进行集成，构建了较为完善的绿色农药分子设计的计算化学生物学技术平台。该平台运用高精度的分子模拟技术研究农药分子与蛋白质靶标之间的相互作用机制，可以较为准确地预测新化合物的活性，从而实现全新骨架先导结构的发现与优化，成功率高，显著提高了新农药的研发效率。本平台包括药效团连接碎片虚拟筛选方法（Pharmacophore-linked Fragment Virtual Screening，PFVS）、计算取代优化方法（Computational Substitution Optimization，CSO）、计算突变扫描（Computational Mutation Scanning，CMS）方法、多轨迹模拟退火分子动力学模拟（Multiple Simulated Annealing-Molecular Dynamics，MSA-MD）方法、一致性反向对接方法（Consensus Reverse Docking，CRD）以及自动化的定量构效关系方法（Auto-QSAR）等多个方法组成，拥有多个软件著作权，具有完全自主知识产权。

 

例如，PFVS方法是国际上首个实现碎片虚拟筛选的方法，我们在该方法的基础上，还开发了第一个基于碎片的农药分子设计的在线服务平台ACFIS。该方法上线后不到半年的时间内，来自全世界近50个国家的4,000多名用户在使用。

 

再比如，计算取代优化方法CSO可以显著提高从苗头化合物到先导的优化效率。我们得到一个苗头化合物后，往往需要对其进行取代基优化，CSO方法可以进行理论上的预测，这样我们就只需要把高活性的化合物合成出来，这对于企业研发人员来讲，可以节省人力物力，从而降低研发成本，应用起来非常方便。

 

另外，计算突变扫描方法CMS是一种靶标抗性的预测方法，该方法不仅可以预测农药分子的抗性风险，而且还可以指导实际用药以及抗除草剂作物的品种设计。

 

总之，我们始终围绕着农药分子和靶标的相互作用，为解决农药分子的高效性、选择性和反抗性去发展一些农药分子设计的新方法，建立一个系统的农药分子设计创新体系，在这些方法的指导下也成功获得了一些高活性的农药候选分子。到目前为止，我们已经有5个化合物实现了成果转让，与企业进行产业化开发。此外，还有多个具有开发潜力的高活性化合物正在进一步研究之中。

 

3.1  苯噻菌酯

苯噻菌酯为strobilurin（甲氧基丙烯酸酯）类杀菌剂，试验代号为Y5247，目前已获中国和美国发明专利授权。其杀菌谱广，对白粉病、霜霉病、褐斑病、炭疽病以及黑星病等多种病害高效，活性与嘧菌酯总体相当，但原药生产成本显著低于嘧菌酯。目前，苯噻菌酯已转让给江苏七洲绿色化工股份有限公司进行产业化开发。

 

 

图1  苯噻菌酯的结构式

 

3.2  氟苯醚酰胺和氯苯醚酰胺

氟苯醚酰胺（试验代号Y13149）和氯苯醚酰胺（试验代号Y12196）是采用PFVS方法快速发现的新型琥珀酸脱氢酶抑制剂（SDHI），中国专利申请号201310502473.7，国际PCT专利：PCT/CN2013/089220。两者均具有内吸传导性，且耐雨水冲淋，用量较低（亩用量在5～7 g）。目前两个化合物均已转让给北京燕化永乐生物科技股份有限公司进行产业化开发，且已进入登记阶段。

 

氟苯醚酰胺对水稻纹枯病的防效卓越，对白粉病、马铃薯晚疫病也有高效。其生产成本小于20万元/吨，防效和成本明显优于同类杀菌剂噻呋酰胺。

 

氯苯醚酰胺对水稻纹枯病、马铃薯晚疫病、油菜菌核病具有良好的防效，但对灰霉病的效果更优。其生产成本小于1 5万元/吨，对灰霉病的防效及其生产成本明显优于商品化杀菌剂啶酰菌胺。

 

  

图2  氟苯醚酰胺的结构式

  

图3  氯苯醚酰胺的结构式

 

3.3  喹草酮和甲基喹草酮

喹草酮（试验代号Y13161）和甲基喹草酮（试验代号Y13161）是我们近期发现的两个除草剂候选化合物，两者均具有新颖骨架，属于HPPD抑制剂，均已转让给山东先达农化股份有限公司进行产业化开发。中国专利20130516269.0，国际PCT专利：PCT/CN2014/078005，并已经在欧盟、美国、印度、阿根廷、墨西哥和尼日利亚等国家和地区申请专利。喹草酮和甲基喹草酮杀草谱广，对多种阔叶杂草及禾本科杂草高效，对狗尾草防效卓越，且速效性好。

 

特别值得指出的是，喹草酮是高粱专用选择性的超高效除草剂，对高粱表现出高度的安全性，同时对玉米和小麦也非常安全，防效显著优于同类除草剂硝磺草酮。目前，该化合物已经进入新农药登记阶段。

 

甲基喹草酮的除草活性更高（亩用量为1～1.5 g），其整体除草活性大约是硝磺草酮的5倍，与苞卫（苯唑草酮）相当，对于部分杂草，其除草活性甚至比苞卫更高。对玉米的安全性与硝磺草酮相当，但明显不及苞卫，因此需要进行后续研究以提高其安全窗口。

 

  

图4  喹草酮的结构式

 

  

图5  甲基喹草酮的结构式

 

3.4  其他候选化合物

最近，我们还发现了2个对霜霉病有很好防效的候选杀菌剂Y14078和Y14079，对霜霉病的防效与吲唑磺菌胺相当，显著优于氰霜唑。此外，对水稻白叶枯等细菌性病害也有很好防效。特别有意义的是，两个化合物的作用机理与现有杀菌剂不同，可以作为防治抗性病原菌的重要选择。此外，它们的结构均非常简单，易合成，原料成本小于10万元/吨。目前，两个化合物均已申请中国发明专利和国际专利。

 

  

图6  Y14078、Y14079通式