• <menu id="qqkqc"></menu>
  • <nav id="qqkqc"></nav>
    登錄 / 注冊 / / English
    中國農藥協會
    loading...

    行業信息

      當前位置:中國農藥工業網 >> 行業信息 >> 行業觀察

    合成生物學時代的蟲害管理新趨勢
    責任編輯:左彬彬 來源:世界農化網 日期:2022-10-10
     
    生物技術蘊藏著宇宙最深的奧秘,合成生物學是基于對生物奧秘本質逐步理解的基礎上,對生物的代謝體系進行人工理性設計,編排和改造,從而使這種智能的生物體系為人類創造出所需的物質或環境。生物醫藥、農業生產、新型材料、環境保護、軍事航天等幾乎所有領域都會用到合成生物學技術?萍碱I先國家都已將合成生物學作為重要的科技發展方向而予以高度重視,世界各大制藥企業,包括農藥企業也紛紛將合成生物學作為重要研發創新領域,以合成生物學為基礎的新創高科技公司也不斷涌現。顯然,從現在開始,誰能夠有效利用合成生物學帶來的紅利,誰就將占領未來農藥產品研發和生產的制高點。面對環境保護和綠色農業的現代需求,合成生物學將在已有農藥產品生產效率的提高以及向綠色化方向改造,新型綠色農藥開發中發揮不可替代的作用,由此帶來的變化將造就農業蟲害管理的新趨勢。


    合成生物學可以滲透到農業蟲害防治的各個方面,從抗蟲作物及昆蟲天敵的基因水平培育;從植物來源到微生物來源的抗蟲天然化合物的異源表達及產物結構優化和創新;從RNA干擾技術到昆蟲信息素的在殺蟲領域的應用,等等,在蟲害管理的各個方面都可以通過合成生物學的應用得到質的提高。


    1. RNA干擾技術在殺蟲劑上的應用


    RNA干擾(RNA interference, 以下簡稱RNAi)的機制由科學家 Andrew Fire 和 Craig Mello在1998年發現,并于2006年獲諾貝爾生理學或醫學獎。生物的遺傳密碼存在于DNA,DNA通過轉錄合成RNA,RNA翻譯成蛋白質,不同的蛋白質則在生物體內表現出不同的生物功能,賦予生物的生命活性。RNAi技術首先在醫學上得到應用,該技術可以破壞目標基因的RNA產物使其失去合成特定蛋白質的能力,所以是一種暫時性的治療而不會影響作為遺傳物質的DNA。RNAi技術在農業害蟲防治領域的應用是一項革命性的創新,完全不同于傳統的防控途徑,主要因為RNAi產品與化學農藥的作用方式有著本質上區別。 許多化學農藥的作用機制是通過藥物小分子與害蟲體內與生命相關的某種蛋白質的結合,使蛋白質失去生物功能,從而影響到害蟲的某種生理機能來達到致死作用,而RNAi則是破壞用以合成這種目標蛋白質的信使RNA,使蛋白質的生物合成受到抑制。


    作為遺傳物質DNA轉錄產物的RNA有兩大特點,首先是基因序列的特異性,這種特異性導致了大自然生物的多樣性,RNA的另一個特點是其不穩定性,容易受到大自然無處不在的RNA酶的破壞,上述兩大特征體現到作為殺蟲劑使用時則表現為藥物的特異性,高效性以及無殘留。RNAi是在不改變DNA遺傳特性的前提下對基因功能的改變,因此RNAi可以達到基因修飾相似的結果,而且比DNA修飾具有更大的優勢,在適當設計的基礎上,RNAi可以通過一個轉移子同時修飾多個基因,使目標生物同時獲得多種性狀的改變,這種優勢在RNAi蟲害防治方面可表現為多靶點同時作用,所產生的效果就是防治效率高,害蟲不易產生耐藥性。


    RNAi產品的研發首先是確定需要抑制的害蟲目標基因,隨著DNA測序技術的發展,越來越多的生物基因組序列被測定,DNA數據庫中有關農業害蟲的基因組數據越加豐富,這就為RNAi技術在殺蟲領域的應用提供了豐富的基因候選資源。然而,只有在合成生物學水平上對目標害蟲的生命代謝途徑及其生活習性有了很好的了解,才能對候選基因做出正確篩選,達到高效安全的初衷。在目前的應用實列中大多是選擇害蟲體內那些與生命直接相關的初級代謝的基因,由于不同生物物種之間的初級代謝基因的相似度比較高,目標基因的選擇還要考慮避免可能產生的目標脫靶現象。另外目標基因也可以選擇影響害蟲自身保護或與抗藥性相關的基因,RNAi通過抑制害蟲體內該種抗性物質的產生,從而達到重獲敏感性。


    害蟲目標基因確定之后的下一步是如何獲得RNAi產品以及保持RNA的穩定性。在RNAi的產生機制中,首先是由雙鏈RNA誘導(dsRNA或shRNA),然后由內切酶將dsRNA水解成較短的單鏈RNA(siRNA) ,siRNA與目標RNA結合后體系最終將雙鏈的目標RNA破壞。所以,雙鏈的dsRNA或發夾RNA(shRNA)以及單鏈的siRNA均可作為RNA干擾殺蟲劑應用,其生產方式方法也相應不同,包括植物合成、微生物發酵、化學合成及無細胞生物合成等。


    植物合成法即將確定的害蟲目標基因序列轉入到載體作物中,由作物來合成害蟲目標基因的dsRNA,也即形成了抗蟲作物,但這種作物不是用于人或動物,而是做成制劑用于殺蟲。2017年, 美國孟山都利用RNAi技術研發的能夠抗玉米根蟲的轉基因玉米獲得美國環境保護局的批準作為抗玉米根蟲病的殺蟲劑使用。這是以植物為載體生產外源RNAi殺蟲劑的一個先例。

    化學合成RNAi產品的一個主要缺點是生產成本高,這也是以前限制RNAi在農業上應用的一個主要障礙,但是現在化學合成的成本已經大大降低,而且化學合成法可以合成較短的siRNA(22-24 nt),相比dsRNA(大于500 bp)而言要經濟的多。


    無細胞生物合成是合成生物學在dsRNA合成上的首先應用,這種方法是利用依賴于DNA的RNA合成酶來進行,并且使合成的成本大幅度降低。在2008年化學合成dsRNA的成本為12500美元/克,到2016年的無細胞生物合成則降為100美元/克,目前已經降到低于60美元/克。美國初創企業GreenLight Biosciences的GreenWorX™技術既是基于這個原理,這種合成方法的優勢在于可以相對低的成本合成出高質量的RNA產品,據報道其dsRNA的生產成本已經可以降到0.5美元/克。


    微生物發酵法是選擇一種安全無害的微生物菌種作為載體,如酵母菌、大腸桿菌或蘇云金芽孢桿菌等其他微生物,將目標基因克隆到作為載體使用的微生物中,通過發酵使微生物菌體細胞產生目標基因的dsRNA。由于所產生的dsRNA存在于微生物菌體細胞內,穩定性相對提高。微生物發酵法是目前發展最好的dsRNA生產方法,多家公司已經轉向這個途徑,其中RNAgri利用微生物發酵法已經可以使dsRNA的生產成本降到1美元/克,而且他們利用一種特殊的發酵工藝將一種蛋白質結合到所產生的dsRNA分子上可以防止其降解。利用微生物發酵技術開發RNAi產品的公司還包括Renaissance BioScience和RNAissance Ag等。Renaissance BioScience于2019年5月獲得dsRNA的生產和使用方法專利。目前以微生物為載體的dsRNA生產中大多以酵母菌株作為載體,實際上也可以使用具有其它生物活性的放線菌或霉菌等作為載體,以便通過某些途徑取得雙重或增倍的藥效,當然這些微生物較酵母和大腸桿菌這樣的模式菌而言在基因改造和細胞培養上的復雜性將會增加。


    總的來說,RNAi抗蟲產品將會是抗蟲劑研發領域的一個重要方向,利用合成生物學理念對目標基因的選擇以及通過合成生物學手段對生產菌株加以設計和改造,從而使RNAi產物的產率得到大幅度提升將是在競爭中取勝的根本要素。在目前基因庫中巨量的基因組信息以及蛋白質立體結構信息的前提下,人工智能(AI)技術在早期目標基因的高通量篩選以及效果模擬中也將是今后研發競爭力的重要要素之一。值得指出的是,RNAi產品不僅可以應用于害蟲防治,只要設計出合適的用于抑制的目標基因,其RNAi產物也可以用于抗細菌,抗真菌甚至抗病毒和雜草等其它多個方面。

     

    2. 通過微生物異源合成植物源農藥


    植物會產生很多物質,主要是次級代謝產物,用來抵御病蟲侵害,這些抗性物質就是植物源殺蟲劑的來源。有報道指生物源農藥在2014年占全球農藥市場的 4-5%,到2022年的占比增加到10%,預計到2025 年這個占比率將達到20%。植物源農藥是生物源農藥的重要組成部分,據報道自然界中有超過 80% 的已知天然化合物能夠由植物產生,而迄今為止在植物中發現的天然化合物已經超過 20萬種,因此有理由相信在植物中還有近 100 萬種新化合物有待發現。盡管如此,到目前為止開發成為殺蟲劑的產品少之又少,實際上到目前只有不到1%的植物次級代謝產物進行過抗蟲活性測試。


    開發植物源生物活性物質所面臨的主要問題是這些次級代謝產物在植物中的含量都很低,需要進行提取濃縮,并加以純化才能發揮作用,而且大部分植物來源還受到資源限制。在合成生物學時代,開發植物源天然化合物的一個理想途徑是將微生物作為載體來生產目標化合物,即首先了解和設計出目標化合物的生物合成途徑,然后將合成途徑中所需要的所有合成基因克隆到載體微生物中,通過微生物發酵來獲得目標化合物。這個目標的實現需要解決生物合成途徑的設計,表達,以及產率提高等一系列問題。


    2022生物?-中文3.png


    首先是目標化合物的生物合成途徑的了解和設計,許多較簡單的天然化合物的生物合成途徑已經得到較好的研究,可以直接進行異源表達的設計,但更多的化合物尤其是擁有復雜結構的化合物的生物合成途徑則是未知的,在植物中研究化合物的生物合成途徑比較困難,因此篩選產生目標化合物的共生微生物是另外一種途徑,以期從微生物中找到目標化合物的生物合成基因簇并進行基因克隆。然而在合成生物學領域目前比較前沿的方法則是通過人工智能(AI)和機器學習來進行目標化合物生物合成途徑的設計,這種方法可以實現目標化合物生物合成途徑的優化,從而實現天然化合物的人工制造以及人工智造。


    其次需要考慮的是微生物生物合成平臺的建立,目前天然產物的異源表達主要是利用大腸桿菌和酵母這2種模式微生物。目前的工作主要局限于這兩種模式微生物作為載體,是因為目前大多數研究者的操作技術只能做模式菌,但霉菌理論上講具有更大優勢,而且霉菌比酵母具有更完善的次級代謝體系。


    用于天然化合物異源表達的微生物平臺還有多種途徑可以進行合成生物學范疇的優化,以便提高目標化合物表達產率,比如提高前體化合物的供應量,減少前體浪費(消除旁路代謝),提高氧化還原反應代謝平衡水平,提高碳源利用率等。


    提高微生物異源表達平臺合成效率的實列之一是研究人員將乙酰輔酶A(一種植物天然產物生物合成的前體)生物合成途徑中的4個合成基因克隆到酵母內,使該酵母合成類異戊二烯金合歡烯的產率提高了25%以上,從而提高植物天然合成產物的效率。另外,研究人員通過增加抗反饋抑制的酶,對反應途徑限制性步驟的酶進行超表達,以及敲除與合成反應存在競爭的反應途徑的酶等方法,可以使作為許多植物化合物前體的4-香豆酸的產率達到了1.9克/升發酵液。

     

    3. 通過植物合成昆蟲信息素和其它生物農藥


    前面提到過利用轉基因玉米生產抗蟲dsRNA, 實際上,以植物為載體還可以合成許多其它異源化學物質和生物農藥。例如,ISCA, Inc. 一家位于加利福尼亞州的綠色農業科技公司, 該公司的研究人員與瑞典研究團隊(隆德大學、瑞典農業大學等研究人員)通過植物轉基因技術成功的使亞麻薺植物合成出昆蟲性信息素前體,為害蟲防治的綠色化提供了一種低成本的信息素來源。


    2022生物?-中文4.png


    利用植物為載體來生產dsRNA干擾物質和昆蟲信息素等為生產綠色殺蟲劑提供了新的途徑,但是仍然有其不足之處,植物的生長需要大片土地并消耗大量水資源,解決這個問題的途徑之一是在上節中討論的微生物異源表達途徑,另一個有前途的發展途徑即為植物細胞培養技術,利用植物細胞培養技術可以將上述提及的生物合成在生物反應器中進行。Calyxt就是這樣一家應用合成生物學技術通過植物細胞培養來生產天然化合物的公司。Calyxt認為植物細胞具有產生天然化合物的獨特能力,并且是生產這些化合物的更好系統,因為植物是這些化合物中大部分的天然生產者。從這個角度出發,與利用微生物生產天然化合物相比,植物細胞可以利用自身的生物合成機制直接合成,而無需像微生物體系那樣需要設計和建立新的復雜異源生物合成途徑與基因體系。實際上,以植物細胞培養來生產異源的天然化合物還具有其它一些優勢,比如植物細胞培養是利用二氧化碳的過程,對于環境保護減少碳排放具有重要意義。

     

    4.  合成生物學在生物防治領域的應用


    生物防治是利用自然界生物平衡力量達到防治病蟲害的目的,也即利用天敵來對害蟲進行防治,至今已經有數百年的廣泛應用歷史,也被認為是減少化學農藥大規模使用的最佳替代途徑。過去,人們通常通過在世界范圍尋找更有效的可以用作生物防治劑的野生天敵或菌株來提高生物防治的效果。然而,2014年10月生效的《〈生物多樣性公約〉關于獲取遺傳資源和公正公平分享其利用所產生惠益的名古屋議定書》對生物材料的國際間交換做出了非常嚴格的限制,除此之外,有些地區對生物防治劑的使用也有著自己的嚴格限制,比如只允許使用當地的天敵和菌株。由此一來,通過尋找野生天敵和菌株來獲得更有效的生物防治劑的傳統途徑受到了極大制約。然而,在有機食品生產市場增長的推動下,對更有效的生物防治劑的需求卻在急劇上升。全球有機食品市場在2013已經達到629 億美元,生物防治劑的銷售額增長速度是農藥的三倍,全球生物防治市場在2015年已達到17 億美元。此外,環境保護和綠色農業發展的政策也旨在減少合成殺蟲劑的使用,例如歐盟范圍內的新煙堿類禁令以及美國和世界范圍內逐步減少有機磷酸鹽的使用。隨著有機食品市場興起以及農藥使用減少無疑將促進生物防治領域的快速發展以及其市場價值的增加。目前在生物防治劑方面面臨的迫切問題就是如何能夠立足于本土資源,快速的提高已有本土生物防治劑的有效性,以及開發新的本土生物防治劑,這些目標的實現必須依賴于現代合成生物學在該領域的應用。


    基因工程技術已經在作物和動物育種上得到了有效應用,但是在生物防治劑方面卻很少獲得應用,這使得合成生物學技術在生物防治技術的創新提高上有著更大的發展空間。隨著基因工程技術的發展以及DNA測序的普及,對作為生物防治劑使用的害蟲天敵或者微生物菌株的基因組測序也變得越加容易,為通過信息生物學和合成生物學研究鑒定出與所需生物性狀相關的基因提供了條件,這樣就可以利用基因沉默(RNAi)或基因消除(如CRISPR)技術對所需的生物性狀進行改進,使目標生物防治劑對害蟲產生更有效的生物防治效能。這些生物防治劑需要優化的性狀方面包括對害蟲的抑制能力,對環境及非生物因子的適應能力,對生態危害性的降低,以及這些生物防治劑在工業化產量提升和儲存方面性能的提升等。


    合成生物學在生物防治劑人工選育上同樣可以發揮作用,生物防治劑的人工篩選通常需考慮幾個因素,作為生物防治劑使用的生物對氣候環境的耐受性(可以擴大使用地域范圍),對殺蟲劑的抗性(可以和殺蟲劑同時使用),對作物的適應性,以及其自身的繁育速度等。傳統的選育方法是通過表觀性狀進行篩選,面臨很多困難和問題,比如所需生物性狀的持續保持和傳代等問題以及某些性狀之間的平衡問題等,通過對這些生物性狀在基因水平上的了解,從而通過基因型來進行人工篩選則可以使這些問題得到解決,使生物防治劑的物種和菌株篩選更加便捷,清晰和可控。例如在基因水平上對所要篩選的性狀基因上加入標記就可以通過基因標記在基因水平上進行生物性狀篩選。用于基因篩選的基因標記還可以用來作為環境監測的信號,用以檢測環境的基因多樣性,生物防治劑的效果表現,以及對生態的危害性等。


    利用合成生物學手段對生物防治劑的改造只涉及作為生物防治劑使用的天敵或菌株本身的基因改造,而且可以無需引入外源基因,因此其應該是符合有機食品工業的要求以及 GMO的管理要求。然而由于世界上對轉基因產品規定的不同,以及人們對基因改造的生物防治劑的接受程度,生物技術在生物防治劑領域的應用目前還應謹慎對待。

     

    5. 合成生物學在開發微生物源生物殺蟲劑上的應用


    自1950年起,蘇云金芽孢桿菌(Bacillus thuringiensis,簡稱BT)一直主導著生物殺蟲劑市場,在北美的農作物和森林中有75%通過使用BT細菌來控制蟲害。1980年代陸續發現了Colletotrichum gloeosporioides (Penz.) Sacc. f. sp. Aeschynomenes,Phytophthora palmivora Butler和C. gloeosporioides f. sp. Malvae等菌株并先后被開發成為生物殺蟲劑產品,1990年代又將Streptomyces griseoviridis開發成首個生物抗真菌產品。


    生物農藥在全球范圍的使用每年穩定增長10%,但生物殺蟲劑產品只占世界殺蟲劑市場的1.5%,而且主要是BT類產品,具有很大的發展空間。目前許多BT菌株已經被進行完整DNA測序,利用信息生物學方法可以找到很多抗蟲蛋白或多肽的生物合成基因,對抗蟲蛋白的作用機理也愈加了解,近期AlphaFold 宣布經人工智能解析的蛋白結構數據庫已經超過2億個,也即幾乎所有已知蛋白基因序列都可以通過AI解析出其蛋白立體結構。這些豐富的BT基因序列以及其蛋白立體結構數據,將使得利用合成生物學改造和提高已有BT蛋白活性,發現新的抗蟲蛋白變得更加容易,甚至可以結合機器學習來設計和合成全新的抗蟲蛋白或多肽產品。


    除蘇云金芽孢桿菌外某些病毒也顯示出殺蟲活性并被開發成生物殺蟲劑,比如桿狀病毒科(Baculoviridae)就被看好具有作為生物殺蟲劑的開發前景。目前世界上已經有數種桿狀病毒被注冊為生物殺蟲劑產品,而且其中不乏成功的用于控制農業鱗翅目害蟲的生物殺蟲劑產品。桿狀病毒的DNA是一個大小為70-170kb的環狀結構,含有37個高度保守的核心基因,其宿主局限于節肢動物尤其是害蟲,因此是一類安全的生物殺蟲劑。由于其作用方式不同于蘇云金桿菌,桿狀病毒殺蟲的速度不如后者快,但是桿狀病毒的作用更持久,而且在害蟲中更容易廣泛傳播。研究人員對桿狀病毒的基因功能和殺蟲機制都進行了大量研究,例如發現如果將病毒中的蛻皮激素UDP-葡萄糖基轉移酶(EGT)基因消除后,病毒殺死害蟲的速度提高了30%,對這些生物合成和殺蟲機制的了解為利用合成生物學手段制造高效的新型桿狀病毒生物殺蟲劑提供了可能途徑。


    6. 作為殺蟲劑的微生物次級代謝產物


    與植物類似,微生物也會產生很多次級代謝產物,即小分子的天然化合物,而且這些化合物是抗生素等藥物的主要來源。在微生物來源的天然化合物中有許多化合物具有抗蟲活性。微生物產生的抗生素主要用于醫用,考慮到作用對象耐藥性的產生等問題,抗生素在使用上受到嚴格限制,在農業上的開發應用就更少。多殺菌素是農用抗蟲抗生素的一個優秀例子,它是美國陶氏益農公司開發生產的一種由刺糖多孢菌產生廣譜高效的殺蟲抗生素,并在國內得到廣泛應用。此后,該公司又推出了新一代產品乙基多殺菌素,其抗蟲效力較多殺菌素提高了10倍。在多殺菌素的研發過程中,無論是發酵產率的大幅度提高,各種類似化合物的生物合成,以及乙基多殺菌素的成功問世,都是在對其生物合成途徑的充分了解的前提和指導下所實現,合成生物學技術的發展仍將會在該類生物殺蟲劑以及其它微生物次級代謝產物類殺蟲劑的研發方面發揮決定性的作用。


    目前從微生物中發現新的有效藥物(包括農藥),或者利用微生物為載體平臺異源表達生物活性物質是合成生物學應用的最重要領域。除已經被發現或尚未被發現的那些天然產生的化合物外,微生物中還存在大量自然條件下不能被產生的″非″天然化合物。有結果顯示從微生物中分離到的化合物的數量要遠遠少于通過信息生物學分析到的化合物生物合成基因簇的數量,隨著對大量微生物基因組的測序,人們可以利用信息生物學找出微生物中次級代謝產物的生物合成基因簇。通過合成生物學手段對那些未被表達的″沉默″基因簇的激活,將會釋放除自然界的大量潛能,成為未來發現新的天然化合物的重要途徑之一,這些非天然的天然化合物當然也是進行生物殺蟲劑篩選的重要化合物來源。


    7.  結語


    綜上所述,目前受到極大重視的合成生物學貫穿于殺蟲劑研發的各個領域,它是由化學農藥向生物農藥轉化不可或缺的新技術和新的殺蟲劑設計方式,利用合成生物學技術不僅可以開發大量生物來源的殺蟲劑,同時也可以將現有的化學合成殺蟲劑轉向生物合成方法制造,包括微生物、植物、植物細胞、或者無細胞生物等生物合成平臺,使化學農藥向綠色化發展。


    傳統上生物農藥通常來源于植物和微生物,然而在合成生物學時代,得益于上述生物合成平臺中異源表達體系的建立,人們的目光也在關注其它生物來源的活性物質,比如在蜘蛛(Vestaron Corporation中發現了具有殺蟲活性但是對人和蜜蜂安全的多肽化合物,在將這種多肽的生物合成基因克隆到酵母菌后,即可以利用酵母為載體生產具有抗蟲活性的多肽生物殺蟲劑)、蝎子或其它生物體中尋找具有抗蟲活性的多肽或其它化合物,然后同樣用所建立的生物合成平臺進行異源表達和生產,所有這些方法使合成生物學在現代害蟲的防治領域顯現著無盡的發展空間。

    相關信息
    她握着他的巨大坐了下去
  • <menu id="qqkqc"></menu>
  • <nav id="qqkqc"></nav>