基于辅酶ThDP分子构建高效杀藻剂的研究

Cyanobacteria harmful algal blooms (HABs) in freshwater have a great negative impact on the ecosystems, aquaculture industries and human health throughout the country. Up to the present time, many pesticide (algicide) have been isolated to control HABs, due to their disadvantage. Therefore, the development of green pesticide to reduce the impacts of HABs is urgently needed. We found that ThDP analogs exhibited good inhibitory activity against cyanobacteria at preliminary study. However, it is urgent to understand the structure-activity relationships (SAR) and mechanism of action. Therefore, on the basis of the interaction mode of lead compound at active site, further synthetic optimization was done to find potent active compound. In order to explore the relationships of structure and biological activity, their inhibitory activity against target enzyme and cyanobacteria were examined. The possible mechanism of action of the effective compounds were studied by molecular docking, site-directed mutagenesis, and enzymatic assays. The project will provide theoretical basis to find novel algicide based on ThDP molecule of coenzyme.

近年来我国湖泊蓝藻水华爆发愈发频繁，严重破坏生态环境。目前常用的农药(杀藻剂)由于自身缺点而限制其在防治藻害中效能的充分发挥，因此研究高效环保的绿色农药具有重要的现实意义和应用前景。本项目在前期研究中首次发现辅酶ThDP类似物对蓝藻具有优异抑制活性，然而，尚亟待解决构效关系和作用机制的问题。因此，在研究先导化合物在活性空腔中作用模式的基础上，拟对其进行多位点的结构修饰，测定目标化合物对靶标酶和蓝藻活体的抑制活性以探索结构和生物活性之间关系；然后采用同源模建构建靶标酶三维空间结构，并利用分子模拟与定点突变技术对高效化合物进行作用机制研究。本项目的研究将为基于辅酶ThDP分子来发现具有新颖结构的杀藻剂提供科学依据。

基于作用靶标高效设计抑制剂小分子是农药创制的前沿课题。本项目基于辅酶ThDP类似物6在大肠杆菌丙酮酸脱氢酶系E1组分（E. coli PDHc-E1）中的作用位点信息进行深入研究。主要完成四方面的工作：首先，从分子层面阐明了ThDP类似物6具有E. coli PDHc E1 酶抑制活性的机理，发现 1,2,3-三唑环或其 5 位引入碘原子能与靶标酶形成较强的相互作用，基于此进行了新的杀藻剂的结构衍生。随后利用异源表达的方法首次获得高纯度、高活性的蓝藻PDHc E1，并建立了以蓝藻PDHc E1为靶标的抑制剂筛选体系，对本项目合成的105个化合物进行蓝藻PDHc-E1酶与蓝藻活体（PCC6803、 FACHB905）的活性筛选，发现了30个以蓝藻PDHc E1酶为靶标的高效杀藻剂，药效优于对照药剂硫酸铜，在建立构效关系的同时发现当三唑环替换成肼后表现出高效的杀菌活性。最后利用同源模建、分子对接和定点突变技术研究了高效抑制剂各个结构单元的作用位点，阐明了抑制剂中链接三唑环与苯环之间的磺酰胺基被酯基取代后活性提升的因素，同时氨基嘧啶环、三唑环和苯环在活性空腔处的氢键作用、 π-π作用也增强了结合力，指明了结构优化方向。此外，我们为后期进一步研究抑制剂的杀藻机理，开拓了分子发光新的领域研究，研究了不同荧光团的性质，为杀藻机理的进一步研究提供了新的选择。以上研究所获成果均标注本项目资助。本项目资助下共发表SCI论文13篇，获授权发明专利1项，申请发明专利1项，培养研究生3人。