农药学中的化学生物学实验教学探索与创新

李向阳

(贵州大学精细化工研究开发中心，贵州贵阳550025)

农药学中的化学生物学是农药学与生物学等学科领域相互交叉、相互渗透的产物，正在成为一门重要的新兴交叉学科。农药学中的化学生物学研究一般都是以对植物体的生理或病理过程中具有干预或调控作用的小分子生物活性的化合物为基础，发现其在植物体中的分子靶标，研究这些化合物与植物体中的靶标分子之间的相互作用，进一步采用农药学方法改造其结构，通过生物测试筛选出具有某种生物活性的化合物，探讨其结构与生物活性之间的关系，进一步研究其作用机制，阐明植物生理或病理过程的发生、发展与调控机制，揭示植物病菌病害的致病分子机理，开发新型高效安全的绿色农药。结合了传统的天然产物化学、农药化学、生物化学、分子生物学、结构生物学和计算机辅助设计学等学科的部分研究方法，大大拓宽了研究领域［1］。

农药学的创新是寻找农药新靶标，开展农药靶标的化学生物学研究，建立一些有结构生物学基础的农药分子设计生物模型［2-4］。例如，中科院昆明植物所郝小江研究员从马蓝中发现了多裂孕烷醇，可高效抑制烟草花叶病毒(TMV)病毒亚基因组的复制［5］。南开大学席真教授发现牛心扑子草活性成分NK007可高效抑制TMV病毒组装，提出NK007的作用靶标位于TMV核糖核酸(RNA)的起始碱基上［6］。贵州大学宋宝安教授通过人工合成的方法获得了Dufulin，并发现其可以激活烟草水杨酸信号通路，它的作用靶点位于烟草的细胞壁受体蛋白(HrBP1)上［7-8］。笔者所在的课题组通过凝胶排阻色谱法(SEC)、非变性聚丙烯酰胺电泳法(Native-PAGE)和等温滴定量法(ITC)等非标记方法发现小分子化合物促使TMV外壳蛋白(CP)盘状结构(20S)解组装，抑制病毒的增殖［9-10］。

TMV CP 20S与宿主的致病性和病毒的扩增密切相关，除了保护病毒RNA不被降解外，还参与病毒与宿主之间的应答反应，是抗植物病毒化合物的潜在分子靶标。开展小分子化合物与TMV CP 20S之间的化学生物学教学和实验对农药学中的化学生物学的教学探索与创新具有重要的指导作用。

1 理论课教学探索与创新

1.1 农药学中的化学生物学 在农药学领域，化学生物学已经成为举足轻重的一门交叉学科，开展农药靶标的化学生物学研究，建立一些有结构生物学基础的农药分子设计生物模型是农药学中的重要任务。因此，化学生物学不仅是研究植病过程中农药基础的科学，还是研究分子靶标导向的绿色农药的科学，分子靶标、生物模型是农药学中化学生物学的关键。

1.2 选用合适的参考资料 理论课教学探索与创新的根本来源是选用合适的教材，《化学生物学导论》(马林主编，化学工业出版社，2006年)、《化学生物学基础》(刘磊，陈鹏，赵劲主编，生命科学前沿出版社，2010年)、《化学生物学实验》(曾秀琼，吴起主编，科学出版社，2013年)是化学生物学方面的主流教材，适合农药学中的化学生物学教学和实验使用。同时，可以利用化学生物学专业知名大学如厦门大学、南开大学、清华大学的精品课程资源，化学生物学国内外知名期刊《Nature chemistry》、《Nature chemical biology》、《Nature methods》、《Nature protocol》、《Proc.Natl.Acad.Sci.USA》、《J.Am.Chem.Soc.》、《Angew.Chem.Int.Ed.》、《J.Agr.Food.Chem.》和《Chembiochem》等发表的相关研究成果也可以作为农药学中的化学生物学实验教学探索和创新中的参考资料。

1.3 掌握实验原理 实验原理的熟悉程度决定着教师教学的质量和学生接受新知识的能力，是教学创新的支撑点和立足点。凝胶排阻色谱法(SEC)是以被分离物质的分子量差异为基础的一种层析分离技术，这一技术为判断生物分子大小提供了一种非常温和的分离方法［11］。非变性聚丙烯酰胺电泳法(Native-PAGE)是在不加入SDS和疏基乙醇等变性剂的条件下，对保持活性的蛋白质进行聚丙烯酰胺凝胶电泳，这一技术为判断活性蛋白质大分子大小提供了一种有效的验证方法［11］。等温滴定量热技术(ITC)是一种监测由结合成分的添加而起始的任何化学反应的热力学技术。通过ITC可获得生物分子相互作用的完整热力学参数，可以直接测量焓变△H，结合常数Ka，而不对反应体系产生影响，也不引入修饰基团［12］。

1.4 实验方案设计 一个成功的建筑来源于好的设计方案图，实验教学的创新也不例外，让学生熟练地设计和掌握实验方案是成功教学的关键。

2 实验课教学探索与创新

2.1 农药学中的化学生物学实验现状分析 化学生物学作为化学领域一门新兴的二级学科，在国内一些知名高校中均成立了国家重点实验室，开展了一些化学生物学实验课程。国内农药学中的化学生物学起步相对较晚，仅有一些知名高校开展了农药学的化学生物学教学任务，如南开大学农药领域的化学生物学等。贵州大学精细化工研究开发中心拥有“农药学”国家重点学科、绿色农药与农业生物工程国家重点实验室培育基地和教育部重点实验室，该中心通过用农药学的理论和方法探索干预和调控植物病菌病害发生发展的途径和机理，寻找绿色农药的新先导结构、新作用靶标，开展绿色农药创制和作用机制研究，该中心非常重视农药学中的化学生物学这一学科，笔者所在的课题组研究发现一些小分子化合物能够促使TMV CP 20S解组装，干预和调控TMV CP 20S与RNA的正常组装，抑制病毒的增殖。该研究成果作为农药学中的化学生物学实验的主要课程之一，对学生理解课本相关理论概念与实验技能提升有重要作用，对学生的实验创新具有一定的指导作用。

2.2 开展农药学中的化学生物学实验课程 笔者以小分子农药调控TMV CP 20S的组装为例，介绍一些在农药学中的化学生物学实验教学中需要注意的事项。农药学中的化学生物学实验课程是在学完理论课程、学生能够独立完成实验方案设计之后进行的。在动手进行实验时，需要理解该实验的原理:通过利用化学生物学研究小分子化合物促使TMV CP 20S解组装，从而抑制病毒的增殖、干预病毒的侵染能力;掌握实验用到的化学生物学技术:SEC、Native-PAGE和ITC技术(原理前文已介绍);熟练操作实验仪器:快速蛋白纯化系统和等温滴定量热仪;提前准备实验材料:TMV CP 20S和小分子化合物;实验过程中随时记录实验数据和利用相关软件处理实验数据，最后学生还需要掌握分析实验数据的能力:如SEC出峰位置与TMV CP 20S分子量大小的关系;N-ative-PAGE条带大小与TMV CP 20S分子量大小的关系;ITC中对拟合结果的可信值和热力学参数的分析。将理论课程和实验结合起来，不但可以提高学生的动手能力，还可以加强学生对理论知识的掌握和理解，达到讲授与学习的同步，培养本科生学以致用，用以创新的能力，提升本科生考研和出国深造的能力。

3 结语

农学中的化学生物学经过近几年的发展逐渐成为一门具有自身特点和内涵的学科，将成为研究植物病毒病害的重要手段和新型高效安全的绿色农药研究的重要工具。贵州大学精细化工研究开发中心创办和开展了本科—硕士连读班，正在开展农药中的化学生物学实验等系列精品课程，旨在为培养化学生物学研究型人才奠定基础。

［1］吴厚铭.化学生物学——新兴的交叉前沿学科领域［J］.化学进展，2010，12(4):423-430.

［2］宋宝安，赵德刚，杨松，等.农药学创新型人才培养体系的构建与实践［J］.贵州大学学报:自然科学版，2015，31(1):130-135.

［3］席真，陈鹏，刘磊，等.我国化学生物学研究新进展［J］.化学通报，2015，77(7):709-719.

［4］王世敏，宋功武，李玲.化学生物学的科学内涵及其发展［J］.湖北化工，2012(4):1-3.

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［9］李向阳，杨松，宋宝安，等.分子靶标烟草花叶病毒外壳蛋白的结构生物学研究进展［J］.农药学学报，2010(12):391-340.

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［11］LI X Y，SONG B A，CHEN X，et al.Crystal structure of the four-layer aggregate of engineered TMV CP implies the importance of terminal residues for oligomer assembly［J］.PLoS One，2013，8(11):1-10.

［12］LARSSON E A，JANSSON A，Ng F M，et al.Fragment-based ligand design of novel potent inhibitors of tankyrases［J］.J Med Chem，2013，56(11):4497-4508.