新型手性纳米农药 精准识别并高效杀灭烟草花叶病毒

世界农化网中文网报道：江南大学匡华、胥传来教授团队与美国密歇根大学、巴西圣卡洛斯联邦大学、伊利诺伊大学、中国农业科学院烟草研究所合作，开展与生物分子结构域匹配的手性纳米颗粒研制，精准识别烟草花叶病毒外壳蛋白亚基，高效阻断烟草花叶病毒对农作物的侵染。研究成果以″光响应手性纳米颗粒选择性水解植物病毒外壳蛋白（Site-Selective Proteolytic Cleavage of Plant Viruses by Photoactive Chiral Nanoparticles）″为题，于2022年8月19日发表在《自然·催化》（Nature Catalysis）杂志上。

图 （A）手性纳米材料特异性识别烟草花叶病毒蛋白亚基；（B-G）手性纳米材料特异性杀灭作物中烟草花叶病毒的机制；（H）封面文章

农药在农业生产中不可或缺，而农药的大量使用，又会导致抗药性、作物残留、环境污染等问题，严重制约了农业的可持续发展。植物病毒每年在全球造成数百亿美元的损失。烟草花叶病毒（TMV）是人类发现的第一个植物病毒，外壳是由2130个蛋白亚基形成的螺旋管状结构，内管直径～4 nm，遗传物质单链RNA在其中。TMV性能稳定，侵染多种作物，能在多种植物上越冬，严重影响农作物产量和品质。江南大学匡华、胥传来教授团队以青霉胺为配体，发展与TMV病毒螺旋管内孔尺度和构象匹配的手性纳米颗粒，制备了手性硫化铜纳米颗粒（～3 nm）。研究发现右手性纳米颗粒（D-NP）识别TMV蛋白亚基Q₉₉AN^PTTA₁₀₅位点，亲和力是左手性纳米颗粒（L-NP）的20倍，是非手性纳米颗粒的5 000余倍。在光的辅助下，特异性水解断裂101位的天冬酰胺（N）和102位的脯氨酸（P）之间的肽键（图）。

研究表明，手性硫化铜纳米材料与TMV外壳蛋白亚基具有高亲和性，牢固结合在TMV病毒螺旋管内部。硫化铜纳米颗粒与蛋白亚基Q₉₉AN^PTTA₁₀₅位点的特异性亲和，使得N₁₀₁-P₁₀₂的肽键与P₁₀₂的吡咯环形成二面角，N^P肽键的稳定性被削弱。手性硫化铜纳米颗粒在光的激发下，发生电子转移，Pro₁₀₂中N原子上的电子密度急剧增加，易受到H₂O分子的亲核攻击，导致肽键水解。

进一步研究证实，用D-NPs水溶液（1 μM，5 mL/株）喷洒受TMV侵染的作物，3天内>95%的病毒即可被清除，效率显著高于目前所有抗植物病毒的化学农药。该手性纳米农药通过植物叶面气孔，被植物快速吸收，利用率高。监测作物的根、茎、叶以及土壤等，发现该新型手性纳米颗粒施药浓度远小于土壤和植物基础铜含量，无作物残留，可望作为一种绿色、安全的新型农药，为手性纳米材料的应用找到新方向。