名校聯(lián)手研發(fā)手性納米農(nóng)藥 煙草花葉病毒殺滅高達百分之九十五

植物病毒嚴(yán)重影響農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，如玉米褪綠斑駁病毒、小麥線條花葉病毒、馬鈴薯Y病毒等，每年在全球造成的經(jīng)濟損失超過600億美元，嚴(yán)重威脅糧食安全。

植物病毒的傳播途徑、范圍非常廣泛?？梢栽谥参锛毎麅?nèi)寄生，也可以在自然界中通過昆蟲、花粉或種子傳播；有些植物病毒可進入昆蟲腔腸，使其終生具備散播病毒的能力。目前的植物病毒的防控主要依賴化學(xué)農(nóng)藥，與其他病原體（如害蟲、真菌）導(dǎo)致的植物病害不同，病毒的侵害特性使得傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥的靶向性和有效性下降，通常需要反復(fù)多次施藥才能起到控制效果；另一方面，病毒的變異又迫使更大劑量化學(xué)農(nóng)藥的使用，危害生態(tài)和食品安全。因此，發(fā)展高效、靶向的新型抗病毒農(nóng)藥迫在眉睫。

當(dāng)前，納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已成為國際研究的新熱點。表明了一種手性納米粒子（3 nm Cu1.96S）可快速通過葉片氣孔進入植物細胞，精準(zhǔn)識別煙草花葉病毒外殼蛋白亞基，高效殺滅煙草花葉病毒，阻斷煙草花葉病毒對農(nóng)作物的侵染。

目前市面上所宣稱的“納米”農(nóng)藥意為藥劑分子的“劑型尺度”，其作用機理與化學(xué)農(nóng)藥無異。與此不同，該研究的手性納米粒子以特異性破壞病毒外殼蛋白的方式殺滅病毒，且不產(chǎn)生抗藥性、無殘留，是一種綠色的新型農(nóng)藥。

該研究來自江南大學(xué)胥傳來、匡華教授團隊與美國密歇根大學(xué)、巴西圣卡洛斯聯(lián)邦大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所的合作。

手性納米粒子在生命體系中具有生物效應(yīng)

手性分子示例

手性，是一個立體概念，指物體的鏡像不能與本身完全重合的特性，就如同左手和右手互為鏡像而無法疊合。2001年，3位利用手性催化劑生產(chǎn)手性藥物的科學(xué)家被授予諾貝爾化學(xué)獎。如今，手性合成已成為21世紀(jì)的重要研究領(lǐng)域，廣泛用于生命科學(xué)。

在發(fā)展抗植物病毒的手性農(nóng)藥之前，胥傳來研究團隊一直主要針對人類病毒性感染進行納米生物材料開發(fā)，同時開展基于抗體標(biāo)記的免疫分析方法開發(fā)，在可視化的分析過程中進行抗體標(biāo)記，該團隊率先發(fā)現(xiàn)了手性等離子體材料的卓越檢測性能，研發(fā)了一系列免疫快速檢測試紙條、試劑盒、親和層析柱、免疫磁珠等廣泛應(yīng)用于食品、農(nóng)產(chǎn)品、環(huán)境中的風(fēng)險因子的日常監(jiān)測。

考慮到生物大分子的納米尺度特性以及識別中的立體選擇性，團隊繼而開展與生物分子結(jié)構(gòu)域匹配的手性納米顆粒研制，來調(diào)控生命過程。研究團隊在2018年發(fā)展了可媲美限制性內(nèi)切酶的CdTe手性材料，2021年研制了特異性殺滅乙肝病毒的手性硫化銅納米材料。

“前期的工作已經(jīng)證明，無機手性納米材料的結(jié)構(gòu)可以像天然的蛋白酶，精確識別生物分子特定位點；還可在光的作用下降解Aβ淀粉樣蛋白，緩解阿爾茲海默癥。”胥傳來介紹，手性納米藥物的臨床應(yīng)用非常漫長，“所以我們希望同時將手性納米技術(shù)推向另一個領(lǐng)域——可持續(xù)農(nóng)業(yè)?！辈捎弥参锷L本身所需的無機鹽為原料，發(fā)展靶向納米農(nóng)藥，對環(huán)境和作物友好，可能為農(nóng)藥的研發(fā)帶來變革性思路。

煙草花葉病毒（TMV）是第一個被人類發(fā)現(xiàn)的植物病毒，極易傳播、性能穩(wěn)定，侵染多種重要經(jīng)濟作物，能在多種植物上越冬，嚴(yán)重影響農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，該團隊以TMV為對象，開展手性納米材料合成。

煙草花葉病毒衣殼蛋白與3 nm Cu1.96S合成途徑

TMV外殼是由2130個蛋白亞基形成的螺旋管狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)管直徑約4nm，遺傳物質(zhì)單鏈RNA在其中。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)特點和尺度，我們對先前的硫化銅納米顆粒進行結(jié)構(gòu)改造，使之變小，同時也進行了‘手性’的設(shè)計。3納米的硫化銅納米顆?？梢暂^好地進入TMV病毒的內(nèi)孔，通過與蛋白亞基特定位點親和，穩(wěn)定地結(jié)合在孔內(nèi)。右手性納米顆粒與TMV蛋白亞基的結(jié)合力更強，是左手性顆粒的20倍。

高效特異結(jié)合病毒或生物大分子,農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品應(yīng)用廣泛

化學(xué)類農(nóng)藥的靶點通常為病原體的某些生物靶點，這些靶點往往存在于一些執(zhí)行重要生理功能（如神經(jīng)傳導(dǎo)）和信號通路上。在農(nóng)藥的選擇壓力下，病原體通過變異“躲過”這些靶點所受到的“死亡威脅”，農(nóng)藥便失效。手性納米粒子殺滅病毒的獨特機制，不會誘導(dǎo)病原體抗性，具有更好的生物安全性。

在該工作中，以D-青霉胺為表面配體，手性3nm Cu1.96S納米粒子特異性識別病毒蛋白衣殼中的 Q99ANPTTA105 位點，手性納米粒子的 位點選擇性，使這種“量身定制”的納米粒子與TMV的特異性結(jié)合力達到了107 L/M，能夠在陽光照射下高效地特異性殺滅TMV病毒（與其他病毒衣殼的親和力則要低3000倍～1萬倍）。在太陽光的輔助下，衣殼蛋白第101位的天冬酰胺（Asp,Q）和第102位的脯氨酸（Pro, P）之間的肽鍵斷裂，導(dǎo)致病毒衣殼裂解，相當(dāng)于破壞病毒的物理屏障，令孔內(nèi)的核酸暴露、進而降解；這種殺滅作用并非針對病毒生理代謝途徑，因此不誘導(dǎo)病毒變異，也不會給任何變異病毒逃逸機會。

納米粒子與衣殼蛋白作用位點

進一步研究證實，用該粒子水溶液（1μM，5mL/株）噴灑受TMV侵染的作物，3天內(nèi)超過95%的病毒即可被清除，效率顯著高于目前所有抗植物病毒的化學(xué)農(nóng)藥。它通過植物葉面氣孔，進入植物細胞發(fā)揮殺病毒作用，在此過程中一價銅氧化為二價銅離子，被植物快速吸收，利用率高。施藥所用銅元素濃度遠小于土壤和植物本身存在的基礎(chǔ)銅含量，研究團隊通過監(jiān)測作物的根、莖、葉以及土壤等，進一步驗證施藥對作物或土壤中的銅含量無改變。該手性納米農(nóng)藥有望作為一種綠色、安全的新型農(nóng)藥，為手性納米材料的應(yīng)用找到新方向。

“接下來，我們計劃將之推廣應(yīng)用。”對此，胥傳來表示對此需要進行更大規(guī)模的田間試驗，監(jiān)測配藥劑量、施藥間隔等問題。盡管實驗條件下其效率遠勝于傳統(tǒng)農(nóng)藥，但實際中還要考慮目標(biāo)農(nóng)田周圍的TMV發(fā)生情況，以此決定有效保護作物的藥物濃度；以及觀測其對于不同茄科植物、不同生長期植物的作用效果。 對于其他植物病毒，受生物安全的限制，該團隊尚未進行廣泛研究，“植物病毒的實驗涉及生物安全問題，必須和國家農(nóng)科院等有資質(zhì)的院所合作?！?/p>

手性納米材料靶向殺滅TMV的工作，打開了新的視野。“我們發(fā)現(xiàn)，所有生命體系的相互作用都取決于獨特的結(jié)構(gòu)和空間構(gòu)象，我們發(fā)展與之構(gòu)象、尺度相匹配的納米材料，為我們未來開展更復(fù)雜層面上的生命調(diào)控提供了基本策略?！绷硗?，對于應(yīng)用層面，胥傳來認(rèn)為一定要考慮納米顆粒的生命周期——如何發(fā)揮作用、又如何排出動植物體、是否影響生態(tài)安全。

根據(jù)人體腸道上皮細胞與腸道微生物的表面受體，該團隊以微量元素為材料，開展特異性親和力的手性納米粒子設(shè)計，有望調(diào)控腸道穩(wěn)態(tài)、進而改善機體健康與免疫力。