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合成生物學(xué)可以滲透到農(nóng)業(yè)蟲害防治的各個(gè)方面,從抗蟲作物及昆蟲天敵的基因水平培育；從植物來(lái)源到微生物來(lái)源的抗蟲天然化合物的異源表達(dá)及產(chǎn)物結(jié)構(gòu)優(yōu)化和創(chuàng)新；從RNA干擾技術(shù)到昆蟲信息素的在殺蟲領(lǐng)域的應(yīng)用,等等,在蟲害管理的各個(gè)方面都可以通過(guò)合成生物學(xué)的應(yīng)用得到質(zhì)的提高。

1. RNA干擾技術(shù)在殺蟲劑上的應(yīng)用

RNA干擾(RNA interference, 以下簡(jiǎn)稱RNAi)的機(jī)制由科學(xué)家 Andrew Fire 和 Craig Mello在1998年發(fā)現(xiàn),并于2006年獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。生物的遺傳密碼存在于DNA,DNA通過(guò)轉(zhuǎn)錄合成RNA,RNA翻譯成蛋白質(zhì),不同的蛋白質(zhì)則在生物體內(nèi)表現(xiàn)出不同的生物功能,賦予生物的生命活性。RNAi技術(shù)首先在醫(yī)學(xué)上得到應(yīng)用,該技術(shù)可以破壞目標(biāo)基因的RNA產(chǎn)物使其失去合成特定蛋白質(zhì)的能力,所以是一種暫時(shí)性的治療而不會(huì)影響作為遺傳物質(zhì)的DNA。RNAi技術(shù)在農(nóng)業(yè)害蟲防治領(lǐng)域的應(yīng)用是一項(xiàng)革命性的創(chuàng)新,完全不同于傳統(tǒng)的防控途徑,主要因?yàn)镽NAi產(chǎn)品與化學(xué)農(nóng)藥的作用方式有著本質(zhì)上區(qū)別。 許多化學(xué)農(nóng)藥的作用機(jī)制是通過(guò)藥物小分子與害蟲體內(nèi)與生命相關(guān)的某種蛋白質(zhì)的結(jié)合,使蛋白質(zhì)失去生物功能,從而影響到害蟲的某種生理機(jī)能來(lái)達(dá)到致死作用,而RNAi則是破壞用以合成這種目標(biāo)蛋白質(zhì)的信使RNA,使蛋白質(zhì)的生物合成受到抑制。

作為遺傳物質(zhì)DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的RNA有兩大特點(diǎn),首先是基因序列的特異性,這種特異性導(dǎo)致了大自然生物的多樣性,RNA的另一個(gè)特點(diǎn)是其不穩(wěn)定性,容易受到大自然無(wú)處不在的RNA酶的破壞,上述兩大特征體現(xiàn)到作為殺蟲劑使用時(shí)則表現(xiàn)為藥物的特異性,高效性以及無(wú)殘留。RNAi是在不改變DNA遺傳特性的前提下對(duì)基因功能的改變,因此RNAi可以達(dá)到基因修飾相似的結(jié)果,而且比DNA修飾具有更大的優(yōu)勢(shì),在適當(dāng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,RNAi可以通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)移子同時(shí)修飾多個(gè)基因,使目標(biāo)生物同時(shí)獲得多種性狀的改變,這種優(yōu)勢(shì)在RNAi蟲害防治方面可表現(xiàn)為多靶點(diǎn)同時(shí)作用,所產(chǎn)生的效果就是防治效率高,害蟲不易產(chǎn)生耐藥性。

RNAi產(chǎn)品的研發(fā)首先是確定需要抑制的害蟲目標(biāo)基因,隨著DNA測(cè)序技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的生物基因組序列被測(cè)定,DNA數(shù)據(jù)庫(kù)中有關(guān)農(nóng)業(yè)害蟲的基因組數(shù)據(jù)越加豐富,這就為RNAi技術(shù)在殺蟲領(lǐng)域的應(yīng)用提供了豐富的基因候選資源。然而,只有在合成生物學(xué)水平上對(duì)目標(biāo)害蟲的生命代謝途徑及其生活習(xí)性有了很好的了解,才能對(duì)候選基因做出正確篩選,達(dá)到高效安全的初衷。在目前的應(yīng)用實(shí)列中大多是選擇害蟲體內(nèi)那些與生命直接相關(guān)的初級(jí)代謝的基因,由于不同生物物種之間的初級(jí)代謝基因的相似度比較高,目標(biāo)基因的選擇還要考慮避免可能產(chǎn)生的目標(biāo)脫靶現(xiàn)象。另外目標(biāo)基因也可以選擇影響害蟲自身保護(hù)或與抗藥性相關(guān)的基因,RNAi通過(guò)抑制害蟲體內(nèi)該種抗性物質(zhì)的產(chǎn)生,從而達(dá)到重獲敏感性。

害蟲目標(biāo)基因確定之后的下一步是如何獲得RNAi產(chǎn)品以及保持RNA的穩(wěn)定性。在RNAi的產(chǎn)生機(jī)制中,首先是由雙鏈RNA誘導(dǎo)(dsRNA或shRNA),然后由內(nèi)切酶將dsRNA水解成較短的單鏈RNA(siRNA) ,siRNA與目標(biāo)RNA結(jié)合后體系最終將雙鏈的目標(biāo)RNA破壞。所以,雙鏈的dsRNA或發(fā)夾RNA(shRNA)以及單鏈的siRNA均可作為RNA干擾殺蟲劑應(yīng)用,其生產(chǎn)方式方法也相應(yīng)不同,包括植物合成、微生物發(fā)酵、化學(xué)合成及無(wú)細(xì)胞生物合成等。

植物合成法即將確定的害蟲目標(biāo)基因序列轉(zhuǎn)入到載體作物中,由作物來(lái)合成害蟲目標(biāo)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(dòng)物,而是做成制劑用于殺蟲。2017年, 美國(guó)孟山都利用RNAi技術(shù)研發(fā)的能夠抗玉米根蟲的轉(zhuǎn)基因玉米獲得美國(guó)環(huán)境保護(hù)局的批準(zhǔn)作為抗玉米根蟲病的殺蟲劑使用。這是以植物為載體生產(chǎn)外源RNAi殺蟲劑的一個(gè)先例。

化學(xué)合成RNAi產(chǎn)品的一個(gè)主要缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本高,這也是以前限制RNAi在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的一個(gè)主要障礙,但是現(xiàn)在化學(xué)合成的成本已經(jīng)大大降低,而且化學(xué)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(jīng)濟(jì)的多。

無(wú)細(xì)胞生物合成是合成生物學(xué)在dsRNA合成上的首先應(yīng)用,這種方法是利用依賴于DNA的RNA合成酶來(lái)進(jìn)行,并且使合成的成本大幅度降低。在2008年化學(xué)合成dsRNA的成本為12500美元/克,到2016年的無(wú)細(xì)胞生物合成則降為100美元/克,目前已經(jīng)降到低于60美元/克。美國(guó)初創(chuàng)企業(yè)GreenLight Biosciences的GreenWorX™技術(shù)既是基于這個(gè)原理,這種合成方法的優(yōu)勢(shì)在于可以相對(duì)低的成本合成出高質(zhì)量的RNA產(chǎn)品,據(jù)報(bào)道其dsRNA的生產(chǎn)成本已經(jīng)可以降到0.5美元/克。

微生物發(fā)酵法是選擇一種安全無(wú)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(biāo)基因克隆到作為載體使用的微生物中,通過(guò)發(fā)酵使微生物菌體細(xì)胞產(chǎn)生目標(biāo)基因的dsRNA。由于所產(chǎn)生的dsRNA存在于微生物菌體細(xì)胞內(nèi),穩(wěn)定性相對(duì)提高。微生物發(fā)酵法是目前發(fā)展最好的dsRNA生產(chǎn)方法,多家公司已經(jīng)轉(zhuǎn)向這個(gè)途徑,其中RNAgri利用微生物發(fā)酵法已經(jīng)可以使dsRNA的生產(chǎn)成本降到1美元/克,而且他們利用一種特殊的發(fā)酵工藝將一種蛋白質(zhì)結(jié)合到所產(chǎn)生的dsRNA分子上可以防止其降解。利用微生物發(fā)酵技術(shù)開發(fā)RNAi產(chǎn)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(chǎn)和使用方法專利。目前以微生物為載體的dsRNA生產(chǎn)中大多以酵母菌株作為載體,實(shí)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(guò)某些途徑取得雙重或增倍的藥效,當(dāng)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(xì)胞培養(yǎng)上的復(fù)雜性將會(huì)增加。

總的來(lái)說(shuō),RNAi抗蟲產(chǎn)品將會(huì)是抗蟲劑研發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)重要方向,利用合成生物學(xué)理念對(duì)目標(biāo)基因的選擇以及通過(guò)合成生物學(xué)手段對(duì)生產(chǎn)菌株加以設(shè)計(jì)和改造,從而使RNAi產(chǎn)物的產(chǎn)率得到大幅度提升將是在競(jìng)爭(zhēng)中取勝的根本要素。在目前基因庫(kù)中巨量的基因組信息以及蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)信息的前提下,人工智能(AI)技術(shù)在早期目標(biāo)基因的高通量篩選以及效果模擬中也將是今后研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)力的重要要素之一。值得指出的是,RNAi產(chǎn)品不僅可以應(yīng)用于害蟲防治,只要設(shè)計(jì)出合適的用于抑制的目標(biāo)基因,其RNAi產(chǎn)物也可以用于抗細(xì)菌,抗真菌甚至抗病毒和雜草等其它多個(gè)方面。

2. 通過(guò)微生物異源合成植物源農(nóng)藥

植物會(huì)產(chǎn)生很多物質(zhì),主要是次級(jí)代謝產(chǎn)物,用來(lái)抵御病蟲侵害,這些抗性物質(zhì)就是植物源殺蟲劑的來(lái)源。有報(bào)道指生物源農(nóng)藥在2014年占全球農(nóng)藥市場(chǎng)的 4-5%,到2022年的占比增加到10%,預(yù)計(jì)到2025 年這個(gè)占比率將達(dá)到20%。植物源農(nóng)藥是生物源農(nóng)藥的重要組成部分,據(jù)報(bào)道自然界中有超過(guò) 80% 的已知天然化合物能夠由植物產(chǎn)生,而迄今為止在植物中發(fā)現(xiàn)的天然化合物已經(jīng)超過(guò) 20萬(wàn)種,因此有理由相信在植物中還有近 100 萬(wàn)種新化合物有待發(fā)現(xiàn)。盡管如此,到目前為止開發(fā)成為殺蟲劑的產(chǎn)品少之又少,實(shí)際上到目前只有不到1%的植物次級(jí)代謝產(chǎn)物進(jìn)行過(guò)抗蟲活性測(cè)試。

開發(fā)植物源生物活性物質(zhì)所面臨的主要問(wèn)題是這些次級(jí)代謝產(chǎn)物在植物中的含量都很低,需要進(jìn)行提取濃縮,并加以純化才能發(fā)揮作用,而且大部分植物來(lái)源還受到資源限制。在合成生物學(xué)時(shí)代,開發(fā)植物源天然化合物的一個(gè)理想途徑是將微生物作為載體來(lái)生產(chǎn)目標(biāo)化合物,即首先了解和設(shè)計(jì)出目標(biāo)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(guò)微生物發(fā)酵來(lái)獲得目標(biāo)化合物。這個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要解決生物合成途徑的設(shè)計(jì),表達(dá),以及產(chǎn)率提高等一系列問(wèn)題。

首先是目標(biāo)化合物的生物合成途徑的了解和設(shè)計(jì),許多較簡(jiǎn)單的天然化合物的生物合成途徑已經(jīng)得到較好的研究,可以直接進(jìn)行異源表達(dá)的設(shè)計(jì),但更多的化合物尤其是擁有復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(chǎn)生目標(biāo)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(biāo)化合物的生物合成基因簇并進(jìn)行基因克隆。然而在合成生物學(xué)領(lǐng)域目前比較前沿的方法則是通過(guò)人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)進(jìn)行目標(biāo)化合物生物合成途徑的設(shè)計(jì),這種方法可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)化合物生物合成途徑的優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)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(tái)的建立,目前天然產(chǎn)物的異源表達(dá)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?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)研究者的操作技術(shù)只能做模式菌,但霉菌理論上講具有更大優(yōu)勢(shì),而且霉菌比酵母具有更完善的次級(jí)代謝體系。

用于天然化合物異源表達(dá)的微生物平臺(tái)還有多種途徑可以進(jìn)行合成生物學(xué)范疇的優(yōu)化,以便提高目標(biāo)化合物表達(dá)產(chǎn)率,比如提高前體化合物的供應(yīng)量,減少前體浪費(fèi)(消除旁路代謝),提高氧化還原反應(yīng)代謝平衡水平,提高碳源利用率等。

提高微生物異源表達(dá)平臺(tái)合成效率的實(shí)列之一是研究人員將乙酰輔酶A(一種植物天然產(chǎn)物生物合成的前體)生物合成途徑中的4個(gè)合成基因克隆到酵母內(nèi),使該酵母合成類異戊二烯金合歡烯的產(chǎn)率提高了25%以上,從而提高植物天然合成產(chǎn)物的效率。另外,研究人員通過(guò)增加抗反饋抑制的酶,對(duì)反應(yīng)途徑限制性步驟的酶進(jìn)行超表達(dá),以及敲除與合成反應(yīng)存在競(jìng)爭(zhēng)的反應(yīng)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(chǎn)率達(dá)到了1.9克/升發(fā)酵液。

3. 通過(guò)植物合成昆蟲信息素和其它生物農(nóng)藥

前面提到過(guò)利用轉(zhuǎn)基因玉米生產(chǎn)抗蟲dsRNA, 實(shí)際上,以植物為載體還可以合成許多其它異源化學(xué)物質(zhì)和生物農(nóng)藥。例如,ISCA, Inc. 一家位于加利福尼亞州的綠色農(nóng)業(yè)科技公司, 該公司的研究人員與瑞典研究團(tuán)隊(duì)(隆德大學(xué)、瑞典農(nóng)業(yè)大學(xué)等研究人員)通過(guò)植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)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(lái)源。

利用植物為載體來(lái)生產(chǎn)dsRNA干擾物質(zhì)和昆蟲信息素等為生產(chǎn)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(zhǎng)需要大片土地并消耗大量水資源,解決這個(gè)問(wèn)題的途徑之一是在上節(jié)中討論的微生物異源表達(dá)途徑,另一個(gè)有前途的發(fā)展途徑即為植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù),利用植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)可以將上述提及的生物合成在生物反應(yīng)器中進(jìn)行。Calyxt就是這樣一家應(yīng)用合成生物學(xué)技術(shù)通過(guò)植物細(xì)胞培養(yǎng)來(lái)生產(chǎn)天然化合物的公司。Calyxt認(rèn)為植物細(xì)胞具有產(chǎn)生天然化合物的獨(dú)特能力,并且是生產(chǎn)這些化合物的更好系統(tǒng),因?yàn)橹参锸沁@些化合物中大部分的天然生產(chǎn)者。從這個(gè)角度出發(fā),與利用微生物生產(chǎn)天然化合物相比,植物細(xì)胞可以利用自身的生物合成機(jī)制直接合成,而無(wú)需像微生物體系那樣需要設(shè)計(jì)和建立新的復(fù)雜異源生物合成途徑與基因體系。實(shí)際上,以植物細(xì)胞培養(yǎng)來(lái)生產(chǎn)異源的天然化合物還具有其它一些優(yōu)勢(shì),比如植物細(xì)胞培養(yǎng)是利用二氧化碳的過(guò)程,對(duì)于環(huán)境保護(hù)減少碳排放具有重要意義。

4.  合成生物學(xué)在生物防治領(lǐng)域的應(yīng)用

生物防治是利用自然界生物平衡力量達(dá)到防治病蟲害的目的,也即利用天敵來(lái)對(duì)害蟲進(jìn)行防治,至今已經(jīng)有數(shù)百年的廣泛應(yīng)用歷史,也被認(rèn)為是減少化學(xué)農(nóng)藥大規(guī)模使用的最佳替代途徑。過(guò)去,人們通常通過(guò)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(lái)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(guān)于獲取遺傳資源和公正公平分享其利用所產(chǎn)生惠益的名古屋議定書》對(duì)生物材料的國(guó)際間交換做出了非常嚴(yán)格的限制,除此之外,有些地區(qū)對(duì)生物防治劑的使用也有著自己的嚴(yán)格限制,比如只允許使用當(dāng)?shù)氐奶鞌澈途?。由此一?lái),通過(guò)尋找野生天敵和菌株來(lái)獲得更有效的生物防治劑的傳統(tǒng)途徑受到了極大制約。然而,在有機(jī)食品生產(chǎn)市場(chǎng)增長(zhǎng)的推動(dòng)下,對(duì)更有效的生物防治劑的需求卻在急劇上升。全球有機(jī)食品市場(chǎng)在2013已經(jīng)達(dá)到629 億美元,生物防治劑的銷售額增長(zhǎng)速度是農(nóng)藥的三倍,全球生物防治市場(chǎng)在2015年已達(dá)到17 億美元。此外,環(huán)境保護(hù)和綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的政策也旨在減少合成殺蟲劑的使用,例如歐盟范圍內(nèi)的新煙堿類禁令以及美國(guó)和世界范圍內(nèi)逐步減少有機(jī)磷酸鹽的使用。隨著有機(jī)食品市場(chǎng)興起以及農(nóng)藥使用減少無(wú)疑將促進(jìn)生物防治領(lǐng)域的快速發(fā)展以及其市場(chǎng)價(jià)值的增加。目前在生物防治劑方面面臨的迫切問(wèn)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(fā)新的本土生物防治劑,這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)必須依賴于現(xiàn)代合成生物學(xué)在該領(lǐng)域的應(yīng)用。

基因工程技術(shù)已經(jīng)在作物和動(dòng)物育種上得到了有效應(yīng)用,但是在生物防治劑方面卻很少獲得應(yīng)用,這使得合成生物學(xué)技術(shù)在生物防治技術(shù)的創(chuàng)新提高上有著更大的發(fā)展空間。隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展以及DNA測(cè)序的普及,對(duì)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(cè)序也變得越加容易,為通過(guò)信息生物學(xué)和合成生物學(xué)研究鑒定出與所需生物性狀相關(guān)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(shù)對(duì)所需的生物性狀進(jìn)行改進(jìn),使目標(biāo)生物防治劑對(duì)害蟲產(chǎn)生更有效的生物防治效能。這些生物防治劑需要優(yōu)化的性狀方面包括對(duì)害蟲的抑制能力,對(duì)環(huán)境及非生物因子的適應(yīng)能力,對(duì)生態(tài)危害性的降低,以及這些生物防治劑在工業(yè)化產(chǎn)量提升和儲(chǔ)存方面性能的提升等。

合成生物學(xué)在生物防治劑人工選育上同樣可以發(fā)揮作用,生物防治劑的人工篩選通常需考慮幾個(gè)因素,作為生物防治劑使用的生物對(duì)氣候環(huán)境的耐受性(可以擴(kuò)大使用地域范圍),對(duì)殺蟲劑的抗性(可以和殺蟲劑同時(shí)使用),對(duì)作物的適應(yīng)性,以及其自身的繁育速度等。傳統(tǒng)的選育方法是通過(guò)表觀性狀進(jìn)行篩選,面臨很多困難和問(wèn)題,比如所需生物性狀的持續(xù)保持和傳代等問(wèn)題以及某些性狀之間的平衡問(wèn)題等,通過(guò)對(duì)這些生物性狀在基因水平上的了解,從而通過(guò)基因型來(lái)進(jìn)行人工篩選則可以使這些問(wèn)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(duì)所要篩選的性狀基因上加入標(biāo)記就可以通過(guò)基因標(biāo)記在基因水平上進(jìn)行生物性狀篩選。用于基因篩選的基因標(biāo)記還可以用來(lái)作為環(huán)境監(jiān)測(cè)的信號(hào),用以檢測(cè)環(huán)境的基因多樣性,生物防治劑的效果表現(xiàn),以及對(duì)生態(tài)的危害性等。

利用合成生物學(xué)手段對(duì)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(wú)需引入外源基因,因此其應(yīng)該是符合有機(jī)食品工業(yè)的要求以及 GMO的管理要求。然而由于世界上對(duì)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品規(guī)定的不同,以及人們對(duì)基因改造的生物防治劑的接受程度,生物技術(shù)在生物防治劑領(lǐng)域的應(yīng)用目前還應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待。

5. 合成生物學(xué)在開發(fā)微生物源生物殺蟲劑上的應(yīng)用

自1950年起,蘇云金芽孢桿菌(Bacillus thuringiensis,簡(jiǎn)稱BT)一直主導(dǎo)著生物殺蟲劑市場(chǎng),在北美的農(nóng)作物和森林中有75%通過(guò)使用BT細(xì)菌來(lái)控制蟲害。1980年代陸續(xù)發(fā)現(xiàn)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(fā)成為生物殺蟲劑產(chǎn)品,1990年代又將Streptomyces griseoviridis開發(fā)成首個(gè)生物抗真菌產(chǎn)品。

生物農(nóng)藥在全球范圍的使用每年穩(wěn)定增長(zhǎng)10%,但生物殺蟲劑產(chǎn)品只占世界殺蟲劑市場(chǎng)的1.5%,而且主要是BT類產(chǎn)品,具有很大的發(fā)展空間。目前許多BT菌株已經(jīng)被進(jìn)行完整DNA測(cè)序,利用信息生物學(xué)方法可以找到很多抗蟲蛋白或多肽的生物合成基因,對(duì)抗蟲蛋白的作用機(jī)理也愈加了解,近期AlphaFold 宣布經(jīng)人工智能解析的蛋白結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)超過(guò)2億個(gè),也即幾乎所有已知蛋白基因序列都可以通過(guò)AI解析出其蛋白立體結(jié)構(gòu)。這些豐富的BT基因序列以及其蛋白立體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),將使得利用合成生物學(xué)改造和提高已有BT蛋白活性,發(fā)現(xiàn)新的抗蟲蛋白變得更加容易,甚至可以結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)設(shè)計(jì)和合成全新的抗蟲蛋白或多肽產(chǎn)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(fā)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(fā)前景。目前世界上已經(jīng)有數(shù)種桿狀病毒被注冊(cè)為生物殺蟲劑產(chǎn)品,而且其中不乏成功的用于控制農(nóng)業(yè)鱗翅目害蟲的生物殺蟲劑產(chǎn)品。桿狀病毒的DNA是一個(gè)大小為70-170kb的環(huán)狀結(jié)構(gòu),含有37個(gè)高度保守的核心基因,其宿主局限于節(jié)肢動(dòng)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(duì)桿狀病毒的基因功能和殺蟲機(jī)制都進(jìn)行了大量研究,例如發(fā)現(xiàn)如果將病毒中的蛻皮激素UDP-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶(EGT)基因消除后,病毒殺死害蟲的速度提高了30%,對(duì)這些生物合成和殺蟲機(jī)制的了解為利用合成生物學(xué)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(jí)代謝產(chǎn)物

與植物類似,微生物也會(huì)產(chǎn)生很多次級(jí)代謝產(chǎn)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(lái)源。在微生物來(lái)源的天然化合物中有許多化合物具有抗蟲活性。微生物產(chǎn)生的抗生素主要用于醫(yī)用,考慮到作用對(duì)象耐藥性的產(chǎn)生等問(wèn)題,抗生素在使用上受到嚴(yán)格限制,在農(nóng)業(yè)上的開發(fā)應(yīng)用就更少。多殺菌素是農(nóng)用抗蟲抗生素的一個(gè)優(yōu)秀例子,它是美國(guó)陶氏益農(nóng)公司開發(fā)生產(chǎn)的一種由刺糖多孢菌產(chǎn)生廣譜高效的殺蟲抗生素,并在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。此后,該公司又推出了新一代產(chǎn)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(fā)過(guò)程中,無(wú)論是發(fā)酵產(chǎn)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(wèn)世,都是在對(duì)其生物合成途徑的充分了解的前提和指導(dǎo)下所實(shí)現(xiàn),合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展仍將會(huì)在該類生物殺蟲劑以及其它微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物類殺蟲劑的研發(fā)方面發(fā)揮決定性的作用。

目前從微生物中發(fā)現(xiàn)新的有效藥物(包括農(nóng)藥),或者利用微生物為載體平臺(tái)異源表達(dá)生物活性物質(zhì)是合成生物學(xué)應(yīng)用的最重要領(lǐng)域。除已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)或尚未被發(fā)現(xiàn)的那些天然產(chǎn)生的化合物外,微生物中還存在大量自然條件下不能被產(chǎn)生的″非″天然化合物。有結(jié)果顯示從微生物中分離到的化合物的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于通過(guò)信息生物學(xué)分析到的化合物生物合成基因簇的數(shù)量,隨著對(duì)大量微生物基因組的測(cè)序,人們可以利用信息生物學(xué)找出微生物中次級(jí)代謝產(chǎn)物的生物合成基因簇。通過(guò)合成生物學(xué)手段對(duì)那些未被表達(dá)的″沉默″基因簇的激活,將會(huì)釋放除自然界的大量潛能,成為未來(lái)發(fā)現(xiàn)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(dāng)然也是進(jìn)行生物殺蟲劑篩選的重要化合物來(lái)源。

7.  結(jié)語(yǔ)

綜上所述,目前受到極大重視的合成生物學(xué)貫穿于殺蟲劑研發(fā)的各個(gè)領(lǐng)域,它是由化學(xué)農(nóng)藥向生物農(nóng)藥轉(zhuǎn)化不可或缺的新技術(shù)和新的殺蟲劑設(shè)計(jì)方式,利用合成生物學(xué)技術(shù)不僅可以開發(fā)大量生物來(lái)源的殺蟲劑,同時(shí)也可以將現(xiàn)有的化學(xué)合成殺蟲劑轉(zhuǎn)向生物合成方法制造,包括微生物、植物、植物細(xì)胞、或者無(wú)細(xì)胞生物等生物合成平臺(tái),使化學(xué)農(nóng)藥向綠色化發(fā)展。

傳統(tǒng)上生物農(nóng)藥通常來(lái)源于植物和微生物,然而在合成生物學(xué)時(shí)代,得益于上述生物合成平臺(tái)中異源表達(dá)體系的建立,人們的目光也在關(guān)注其它生物來(lái)源的活性物質(zhì),比如在蜘蛛(Vestaron Corporation中發(fā)現(xiàn)了具有殺蟲活性但是對(duì)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(chǎn)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(tái)進(jìn)行異源表達(dá)和生產(chǎn),所有這些方法使合成生物學(xué)在現(xiàn)代害蟲的防治領(lǐng)域顯現(xiàn)著無(wú)盡的發(fā)展空間。