【基金标书】2010CB126100-分子靶标导向的绿色化学农药创新研究

项目名称： 分子靶标导向的绿色化学农药创新研究首席科学家： 钱旭红 华东理工大学起止年限： 2010 年 1 月-2014 年 8 月依托部门： 上海市科委一、研究内容拟发展出生态环境药效代谢相互关联制约、解决候选农药化学多样性及生物合理性的绿色化学与分子设计学技术平台；拟发展出先导靶标毒理生态相互关联制约、解决分子靶标特异性的比较生物化学与化学生物学技术平台。通过 “从分子 设计学经化学生物学到比 较生物化学”和“从比较生物化学经化学生物学到分子设计学”的基本策略，开展以超高效、调控、免疫为特征的杀虫剂、除草 剂、新杀菌抗病毒及激活剂的分子靶标及变 构靶标导向的农药创新基础研究。构建集成现代分子设计学与合成化学、生物学与分子生物学、信息科学与技术的分子靶标导向农药创新研究体系，完成农药基础理论创新的第二步战略，使我国进入绿色农药创新的先进国家行列。具体的：）候选农药化学多样性与生物合理性。基于绿色化学与分子设计学，发展及采用手性农药对映体的内分泌干扰差异性及环境毒理方法、DFT/QSAR、多聚态 QSAR、构象柔性度分析反抗性分子 设计策略，基于生态环境药效代谢相互关联制约，验证候选药 物的生物合理性， 实现候 选药物结构优化的高效性、药效的高活性。进行候选药 物先导生物及绿色化学衍生，建立探索搜寻新靶标极其结构信息的化学方法。）候选靶标生物特异性及化学成药性。基于比较生物化学与化学生物学，发展及采用分子靶标的化学搜寻方法、潜在分子靶标与哺乳动物等非靶标及变构靶标的结构比较方法、农药 先导小分子与靶标大分子相互作用分析技术，基于先导靶标毒理生态相互关联制约，以分析与验证候选分子靶标的特异性、成药性， 阐明先导与靶标间选择性及抗性的分子基础及机理。3）杀虫剂及昆虫调控相关的候选药物与分子靶标。顺式硝基烯候选药物的优化与创新，其小分子与烟碱受体大分子靶标间的相互作用模式及依此的生物合理性结构的拓展；基于鱼尼汀受体的新先导探索；几丁质酶相关的分子靶标及乙酰胆碱等变构酶潜在靶标、候选靶标的研究、 创新及生物特异性分析与验证，并依此开展相关化学成药性的研究；农药小分子与靶标生物大分子的各种相互作用研究。4）植物及病害调控相关的候选药物与分子靶标。乙酰乳酸酶等支链氨基酸相关酶、丙 酮酸脱氢酶及光合作用相关酶的候选药物或先导在生物体与环境的变化规律研究，针对变构酶 候选靶标的新除草剂先导结构的创新及小分子与大分子相互作用研究。开展杀 菌抗病毒潜在新靶标的验证研究、针对病毒核酸颗粒组装靶标的抗病毒候选药物研究、开展超高效的多分子靶标光敏杀菌剂候选药物、基于免疫激活机制的杀 菌抗病毒杂环等候选药物以及小分子与靶标大分子相互作用研究。二、预期目标总体目标：从我国绿色化学农药的重大需求出发，立足国际前沿，开展分子靶标导向的绿色化学农药创新的交叉性基础研究。通过本项目的实施形成多学科集成的分子靶标导向农药创新研究体系；构建以提高候选农药化学多样性与生物合理性为导向的绿色化学与分子设计学技术平台和以解决分子靶标特异性、先导与靶标间选择性及抗性为导向的比较生物化学与化学生物学技术平台；完善以发现超高效、调控、免疫为特征的杀虫剂与昆虫生长调节剂、除草剂、新杀菌抗病毒与激活剂的分子靶标及变构靶标导向的农药创新体系。为解决我国重大病虫草害提供自主知识产权的候选农药，使我国进入绿色农药创新的先进国家行列，促使中国成为世界上继美、日、德、瑞士、英、法之后第七个具有完全独立创制新农药能力的国家。五年预期目标：1构建集成现代分子设计学与合成化学、生物学与分子生物学、信息科学与技术的分子靶标导向农药创新研究体系；2发展出生态- 环境-药效-代谢相互关联制约、提高候选农药化学多样性和生物合理性的绿色化学与分子设计学技术平台；3发展出先导- 靶标-毒理-生态相互关联制约、以解决分子靶标特异性、先导与靶标间选择性及抗性为导向的比较生物化学与化学生物学技术平台；4发现 30-40 个超高活性先导、 5-10 个候选农药及 5-10 个左右的潜在新农药作用靶标；2 个候选靶标。 实现 5-10 个候选农药和靶标相互验证；经细胞和（或）动物模型、田间药效、环境代谢毒理验证，获得 1 3 个具有产业前景的田间试验农药，1 个新作用试验靶标 。5. 发表 SCI 收录的学术论文 200 篇以上。其中，在相关领域的国际一流刊物上发表论文 50 篇以上。取得具有国际影响的原创性成果，获得专利 10-20 项。6以本项目的实施为契机, 促进生物、信息、化学与农药学研究的衔接和交叉集成，培养一批化学生物信息学、分子生物学、化学、农药学等领域的交叉学科人才。三、研究方案学术思路：本项目以分子靶标导向的绿色化学农药为研究主线，以发现新的分子靶标与候选药物为目标, 结合 “从分子设计学经化学生物学到比较生物化学”和“从比较生物化学经化学生物学到分子设计学”的两种基本策略，组织化学生物信息学、功能基因组学、分子与结构生物学和农药学(包括化学和药理学)等优势力量，开展多学科优势综合集成研究。具体而言，本项目旨在开展新绿色农药的分子靶标与候选农药创新基础研究， 为我国环境生态及工农业可持续发展奠定绿色化学农药的理论及技术基础，为 突破我国自主创新农药研究开发的瓶颈奠定坚实的基础。为 控制农作物重大病虫草害的发生提供候选新药剂。技术途径：为达到以上目的，本项目将在上一个 973 项目的基础上，建立“ 二个技术平台”，采取 “二条研究策略”，从 “四类候选靶标” 开展新农药创新的基础研究，构筑集成现代分子设计学与合成化学、生物学与分子生物学、信息科学与技术等前沿高新技术于一体的分子靶标导向的农药创新研究体系。以解决我国重大病虫草害防治这一重大需求，将我国 绿色农药向原始创新推进。“二个技术平台 ”：建立“生态-环境-药效-代谢”相互关联制约，以候选农药化学多样性和生物合理性为导向的绿色化学与分子设计学技术平台和“先导-靶标-毒理- 生 态”相互关联制约 ，以 验证分子靶标特异性、阐明先导与靶标间选择性及抗性规律的比较化学生物学与化学生物学技术平台。“二条研究策略 ”：包括“从分子设计学经化学生物学到靶标”的策略和“ 从比较生物化学经化学生物学到靶标”的策略。“四类候选靶 标” ：包括能导 致超高效、调控、免疫特征的杀虫剂与昆虫生长调节剂发现的候选靶标；能导致超高效除草剂发现的候选靶标；能导致新杀菌抗病毒与杂环类抗病激活剂发现的候选靶标；新出现的潜在分子靶标、候选靶标及变构靶标。附图显示了本项目的总体研究方案和技术路线，主要包括建立两个公共技术平台和体现“ 比较生物化学 经化学生物学到分子 设计学” 和“从分子设计学经化学生物学到比较生物化学”两个基本策略的四条并行或协同进行的技术途径。公共技术平台：包括绿色化学与分子设计 学技术平台 及比较生物化学与化学生物学技术平台两个公共技术平台，以高效活性先导化合物为 基础，进行新靶标农药的先导化合物的优化及生物学研究，发展及采用荧光标记农药先导的分子靶标搜寻方法、分子靶标及潜在靶标 与哺乳动物等非靶标及变构靶标的结构比较方法、农药先导与靶标小分子与大分子相互作用分析技术，基于“ 生态- 环境-药效-代谢”相互关联制约、以提高先导结 构发现的高效性、候 选农药的化学多样性与生物合理性；基于先导出“ 先导-靶 标- 毒理-生态”相互关联 制约、以解决分子靶标特异性、先导与靶标间选择性及抗性, 以高效活性候选药物为基础，开展绿色农药潜在新靶标的化学生物学验证研究提供候选药物。“从比较生物 化学经化学生物学到分子 设计学” 的策略：途径：拟发 展出“ 生态-环境-药效-代谢”相互关联制约的农药先导发现方法，揭示候选药物与靶标的结合模式；基于我们所获得的农药学相关的分子靶标而非生物个体或组织的结构与功能，比较生物化学包括哺乳动物、非靶标生物及变构靶标比较及相互作用，采用 荧光标记农药先导的分子靶标搜寻方法、潜在分子靶标与哺乳动物等非靶标及变构靶标的结构比较方法、农药先导小分子与靶标大分子相互作用分析技术，应 用农药化学生物信息技术进行分析，搜索和预测绿色农药潜在新靶标；利用分子生物学技术，研究比较生物化学功能，确定候选变构靶标，特 别是反抗性先导及抗性变构受体靶标，模建候选靶标的三维结构并筛选或设计先导化合物，在生态 、环境、药效、代 谢水平上对候选靶标进行验证。强调分子靶标发现与创新中的哺乳动物、非靶标生物及变构靶标的比较生物化学研究。途径：基于 “先导-靶标- 毒理-生态”相互关联制约、拟发展出验证候选分子靶标特异性、成药性的方法，阐明选择性与抗性分子 间相互作用基础, 将作用特征独特的候选药物化合物作用于相应哺乳动物、非靶标生物及变构靶标，采用化学分离工程、亲和层析、基因芯片或蛋白质芯片研究化合物作用前后基因/蛋白质表达谱的差异，再通过途径 的方法研究先导与靶标选择性和抗性，获得新农药靶标。在此基础上优化先 导结构,开发候选药物。 高 活 性 先 导比 较 生 物 化 学比 较 生 物 化 学 2 2生 态 -环 境 药 效 -代 谢先 导 -靶 标 毒 理 -生 态分 子 设 计 学分 子 设 计 学 化 学 生 物 学化 学 生 物 学靶 标靶 标 候 选 农 药候 选 农 药农 药农 药品 种品 种13-56高 活 性 先 导比 较 生 物 化 学比 较 生 物 化 学 生 态 环 境 药 效 代 谢先 导 靶 标 毒 理 生 态分 子 设 计 学分 子 设 计 学分 子 设 计 学分 子 设 计 学 化 学 生 物 学化 学 生 物 学化 学 生 物 学化 学 生 物 学靶 标靶 标靶 标靶 标 候 选 农 药候 选 农 药候 选 农 药候 选 农 药农 药农 药品 种品 种农 药农 药品 种品 种附图： 总体研究方案和技术路线示意图“从分子设计 学经化学生物学到比 较生物化学” 的策略：途径：建立基于 “生态-环境-药效-代谢”相互关联制约的农药先导发现方法,突出强调农药先导与作用靶标的相互关系，并采用定向合成方法和手性农药对映体的内分泌干扰差异性及环境毒理方法、DFT/QSAR、多聚态 QSAR、构象柔性度分析反抗性分子设计策略，采用分子模拟及复合单晶方法揭示候选药物与靶标的结合模式，提高高活性先导化合物发现高效性与特异性，再用上述类似的方法进行先导结构的优化,候选药物开发。途径: 强调基于分子靶标而非生物个体或组织的结构与功能和分子设计学中的环境生态因素的考虑， 进行农药先导的研究, 考虑农药先导的发现与优化中的绿色化学,建立并采用农药结构、环境生态因素、代谢及毒性数据库，基于 现有的候选药物与靶标的结合模式知识对其进行“虚 拟搜寻” 、定向化学合成、高效靶标与非靶标活体筛选，确定 农药先导与作用靶标在分子水平相互关系，发展所针对的靶标与变构靶标的研究及反抗性分子设计，提高高活性先导化合物发现的高效性与特异性，设计新的活性分子，进行先导结 构的优化与候选药物发现。四、年度计划第一年度：研究内容：1）开展基于已有高活性化合物的绿色化学设计、衍生技术的研究2）研究活性小分子与靶标之间的相互作用，提出可能的作用机制；研究靶标未知的活性化合物可能的潜在靶标3）研究活性分子对环境影响，初步建立环境安全评价体系4）设计合成基于靶标信息的新的活性化合物，结构多样性衍生，合成、筛选、生物活性验证等预期目标：设计合成新化合物 200-300 个，发表 SCI 收录的学术论文 30 篇以上。其中，在相关领域的国际一流刊物上发表论文 10 篇以上。发现先导 8-10 个，申请国内专利 3-5 项。培养化学生物信息学、分子生物学、化学、农药学等领域的交叉学科博硕士生 15-20 名。第二年度：研究内容：1）借助绿色化学设计学及合成学，建立结构多样性衍生的方法组及化合物库2）确认高活性化合物的靶标或提出其可能潜在靶标，开展活性分子与生物大分子相互作用的研究，提出候选靶标3）针对高活性先导，在环境安全的制约下，开展与生态相关评价体系构建4）进一步对先导结构进行衍生，系统研究高活性先导的生物活性、毒理学特征，提出可能的候选农药预期目标：设计合成新化合物 200-300 个，发表 SCI 收录的学术论文 40 篇以上。其中，在相关领域的国际一流刊物上发表论文 10 篇以上。发现先导 8-10 个，发现 1-2个候选农药，2-3 个左右的潜在新农药作用靶标；申请国内专利 3-5 项，国际PCT 专利 1 项以上。培养化学生物信息学、分子生物学、化学、农药学等领域的交叉学科博硕士生 15-20 名。第三年度：研究内容：1）针对具有成药性的靶标，开展分子设计学研究，提出新的先导结构，验证候选靶标生物特异性及化学成药性2）系统研究具有成药性的靶标的种属差异和靶标特异性，发现相关靶标的环境及生态安全特征3)研究高活性候选农药的环境及生态行为特征，确认侯选农药的环境及生态安全性，提出进入实质性开发的候选农药4)进一步结合靶标、生态、环境等制约因素，开展基于靶标的分子多样性衍生预期目标：设计合成新化合物 200-300 个，发表 SCI 收录的学术论文 30 篇以上。其中，在相关领域的国际一流刊物上发表论文 10 篇以上。发现先导 8-10 个，发现 1-2个候选农药，实现 2-5 个候选农药和靶标相互验证；2-3 个左右的潜在新农药作用靶标；申请国内专利 3-5 项，国际 PCT 专利 1 项以上。培养化学生物信息学、分子生物学、化学、农药学等领域的交叉学科博硕士生 15-20 名。第四年度：研究内容：1）构建生态-环境-药效-代谢相互关联制约的绿色化学与分子设计学技术平台；2）构建先导-靶标-毒理-生态相互关联制约的比较生物化学与化学生物学技术平台；3）完成成药性靶标和活性小分子之间相互验证4）开展 35 个高活性候选农药开发为新农药的正式登记前的准备工作预期目标：设计合成新化合物 200-300 个，发表 SCI 收录的学术论文 50 篇以上。其中，在相关领域的国际一流刊物上发表论文 10 篇以上。发现先导 8-10 个，发现 1-2个候选农药，发现 1-2 个候选农药，实现 2-5 个候选农药和靶标相互验证；2-3 个左右的潜在新农药作用靶标；一个候选靶标；申请国内专利 3-5 项，国际PCT 专利 1 项以上。培养化学生物信息学、分子生物学、化学、农药学等领域的交叉学科博硕士生 15-20 名。第五年度：研究内容：1）完成集成现代分子设计学与合成化学、生物学与分子生物学、信息科学与技术的分子靶标导向农药创新研究体系的构建；2）确认成药性靶标和完成新农药的前期开发3）全面总结工作，发表论文，全面完成项目预期目标。预期目标：设计合成新化合物 200-300 个，发表 SCI 收录的学术论文 50 篇以上。其中，在相关领域的国际一流刊物上发表论文 10 篇以上。发现先导 8-10 个，发现 1-2个候选农药，发现 1-2 个候选农药，2-3 个左右的潜在新农药作用靶标；获得13 个具有产业前景的田间试验农药，1 个新作用试验靶标。培养化学生物信息学、分子生物学、化学、农药学等领域的交叉学科博硕士生 15-20 名。