夏日必備驅(qū)蚊劑，大多依靠氣味驅(qū)逐蚊蟲，這種靈敏度高、選擇性強、環(huán)境友好的方法也被科學(xué)家看上了——他們想用此來對付田間害蟲。
然而，小分子化合物千千萬，哪一款才是害蟲的“真愛”亦或“真臭”？雖然昆蟲識別氣味的受體基因已經(jīng)找到，但是這些受體如何與氣味進行結(jié)合，成為近幾十年來的全球性未解難題。
蚜蟲。中國農(nóng)科院供圖
6月14日，《科學(xué)》在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（大鵬灣實驗室）（以下簡稱基因組所）、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所等單位聯(lián)合完成的最新研究論文。該研究在全球首次解析了蚜蟲報警信息素受體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了氣味受體離子通道門控機制，為基于氣味受體結(jié)構(gòu)高通量篩選新型綠色昆蟲行為調(diào)控劑奠定了基礎(chǔ)。
中國工程院院士、貴州大學(xué)校長宋寶安指出，這是昆蟲嗅覺編碼機制研究領(lǐng)域的重大突破，為開發(fā)高效、綠色的行為調(diào)控劑奠定了理論基礎(chǔ)，顯著增強我國在昆蟲行為調(diào)控劑研究領(lǐng)域的核心競爭力。
中國科學(xué)院院士、河北大學(xué)校長康樂認為，這一里程碑式的突破為基于結(jié)構(gòu)生物學(xué)高通量篩選殺蟲劑和驅(qū)避劑奠定了理論基礎(chǔ)，將有力推動害蟲綠色防控新產(chǎn)品研發(fā)進程，為實現(xiàn)安全、綠色、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式提供強有力的支撐。
從“臭”名昭著到“真香”
1999年，王桂榮考上中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所（以下簡稱植保所）博士生，成為中國工程院院士郭予元的學(xué)生。
“我的師兄師姐當時在用傳統(tǒng)化學(xué)生態(tài)學(xué)手段篩選小分子化合物，從中尋找可能的昆蟲行為調(diào)控劑。”論文共同通訊作者、基因組所研究員王桂榮回憶說，這種實驗每次把一種揮發(fā)性小分子化合物釋放到活體昆蟲的環(huán)境中，觀察昆蟲對其的喜惡。如果昆蟲特別喜歡或特別不喜歡，那么這種化合物有可能成為綠色標靶農(nóng)藥的備選。
實驗聽起來似乎不難，但是往往聞起來讓人受不了。因為很多揮發(fā)性小分子有特殊的氣味，重復(fù)性的昆蟲行為測定實驗也讓人感覺很枯燥，這讓很多研究者望而卻步，研究進展很慢。
“小分子化合物有幾十萬種，利用傳統(tǒng)的方法，一個實驗室通常一年也就篩選幾百個?！蓖豕饦s說，他希望利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)結(jié)合昆蟲化學(xué)生態(tài)學(xué)的研究加快昆蟲行為調(diào)控劑的研發(fā)進程。
他的導(dǎo)師郭予元團隊一直從事生態(tài)學(xué)研究，但非常支持王桂榮用分子生物學(xué)，來探尋昆蟲行為調(diào)控劑高通量篩選方法，盡管這在當時是很昂貴的研究手段。
然而20年前，國內(nèi)的實驗平臺和技術(shù)水平都不足以支持王桂榮的想法。就這樣，學(xué)植保的王桂榮申請到了美國一所以醫(yī)科著稱的大學(xué)（范德比特大學(xué)）工作。
恰恰在2004年，Linda Buck和Richard Axel因發(fā)現(xiàn)哺乳動物嗅覺受體而榮獲諾貝爾獎，激勵了科研人員對動物氣味受體編碼機制的研究。在范德比特大學(xué)工作期間，王桂榮建立了非洲爪蟾卵母細胞結(jié)合雙電極電壓鉗研究平臺，用于解碼昆蟲氣味受體的功能，他還研究了岡比亞按蚊基因組編碼的所有79個氣味受體的功能。
與同事合作，王桂榮以重要的氣味受體為靶標，篩選了范德比特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心化合物庫中的15萬種分子，找到了很多針對蚊子有引誘和驅(qū)避作用的活性化合物。
2011年，王桂榮回到植保所成立昆蟲功能基因組學(xué)研究組，擔任課題組長。彼時，基因組學(xué)新技術(shù)興起和廣泛應(yīng)用，分子生物學(xué)進一步發(fā)展，越來越多的科學(xué)家開始采用新方法研究昆蟲對氣味的識別機制，一方面是昆蟲靈敏嗅覺的奧秘引人注目，同時也想籍此找到新的高通量篩選昆蟲行為調(diào)控劑的方法。于是該領(lǐng)域躍升為科學(xué)家關(guān)注的“真香”領(lǐng)域。
“創(chuàng)制靶向小分子綠色農(nóng)藥是國際前沿研究課題，也是國家重大戰(zhàn)略需求?；陟`敏的嗅覺研發(fā)的害蟲引誘劑和驅(qū)避劑是全球公認的綠色防控技術(shù)，而嗅覺受體結(jié)構(gòu)未知是研發(fā)高效引誘劑和驅(qū)避劑的卡點。”宋寶安說。
如何從十幾萬到幾十？
當國際上還在專注于模式昆蟲，例如果蠅的氣味受體研究時，王桂榮已經(jīng)開始了針對農(nóng)業(yè)害蟲氣味受體的應(yīng)用基礎(chǔ)性研究工作。
目標很明確，但擺在面前的卻有兩大難題。
“我們當時已經(jīng)做了大量嗅覺受體基因的功能，篩選獲得了多種重要農(nóng)業(yè)害蟲的關(guān)鍵嗅覺受體基因，但面臨的核心問題是國內(nèi)沒有小分子化合物的實體庫，無法基于氣味受體的功能進行大規(guī)模的篩選?！蓖豕饦s說，要把幾十萬種小分子化合物全部買回來也不現(xiàn)實，只能另辟蹊徑。
目前商業(yè)化的化合物虛擬庫有幾十萬種化合物。“如果能有辦法從幾十萬種化合物中篩選出幾十個上百個行為調(diào)控劑候選分子，再去逐一做昆蟲行為學(xué)篩選，倒是可行的?！北M管這像大海撈針那么難，但王桂榮想要找到一種高通量篩選的方法對虛擬庫中的化合物進行快速的初步篩選。
這需要解決兩個關(guān)鍵的科學(xué)問題：首先是要從近百個氣味受體中鑒定出控制特定行為的關(guān)鍵氣味受體，建立氣味受體與昆蟲行為的關(guān)系；其次是要解析這些關(guān)鍵氣味受體的三維結(jié)構(gòu)，才能通過分子對接、機器學(xué)習(xí)實行智能化高通量篩選。
過去20年間，王桂榮團隊已經(jīng)找到了系列調(diào)控昆蟲特定行為的關(guān)鍵基因，例如哪些嗅覺受體基因介導(dǎo)了昆蟲尋找寄主、配偶、產(chǎn)卵場所或逃避敵害等關(guān)鍵行為。接下來，解決這些關(guān)鍵氣味受體的三維結(jié)構(gòu)就成為了問題的關(guān)鍵。
昆蟲依賴靈敏的嗅覺感知環(huán)境中的化學(xué)信息。在嗅覺識別的過程中，嗅覺受體神經(jīng)元樹突膜上的氣味受體扮演著核心角色，它們能夠?qū)⑼饨绲幕瘜W(xué)信號轉(zhuǎn)化為生物電信號，介導(dǎo)昆蟲相應(yīng)的行為反應(yīng)。
康樂介紹，與脊椎動物單個氣味受體具有功能不同，絕大多數(shù)昆蟲特異性受體要和共受體形成OR-Orco復(fù)合物才能發(fā)揮功能。因此，昆蟲氣味受體展現(xiàn)出對配體化學(xué)信息物質(zhì)高度敏感性和特異性，共同介導(dǎo)昆蟲取食、交配等重要行為反應(yīng)，是非常理想的昆蟲嗅覺行為調(diào)控劑分子靶標。盡管昆蟲氣味受體被發(fā)現(xiàn)已有20多年，但OR-Orco復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)一直是個待解之謎。
“如果破解了氣味受體的三維結(jié)構(gòu)，就能用計算機模型匹配小分子化合物和昆蟲氣味受體，判斷二者是否會發(fā)生互相作用，這樣的方法可以實現(xiàn)快速高效的篩選?！蓖豕饦s說。
此前，有人利用人工智能方法預(yù)測了昆蟲氣味受體的三維結(jié)構(gòu)，但準確率不高。王桂榮認為，要想研發(fā)真正有用的產(chǎn)品，投放于市場，必須解析氣味受體的精確三維結(jié)構(gòu)。
四年前，王桂榮和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、論文共同通訊作者殷平相識。殷平長期從事蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的研究，對殷平來說，昆蟲氣味受體是一個嶄新的領(lǐng)域。但對科學(xué)未知的好奇驅(qū)動著他們一起攻克氣味受體的三維結(jié)構(gòu)難題。
綠色新型農(nóng)藥在路上
“我是很欣然的接受了這個課題?！闭撐牡谝蛔髡摺⒒蚪M所與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后王意東說，但他完全沒有考慮到這個課題差點讓他無法博士后出站。
王意東在殷平課題組做科研助理期間研究的是植物的光受體結(jié)構(gòu)。當殷平告訴他這項工作是以植物和昆蟲的關(guān)系為題時，他立刻去查文獻翻資料，感覺這是一個“寶庫”，可以挖掘的東西很多。
就這樣，王意東的博士后課題選定了全球難題——昆蟲氣味受體的三維結(jié)構(gòu)解析。
“昆蟲氣味受體是一個異源四聚體結(jié)構(gòu)。其三維結(jié)構(gòu)之所以難以解析，是由于它需要和共受體結(jié)合才能發(fā)揮作用，而這提高了蛋白表達的難度，也就很難利用冷凍電鏡解析它的結(jié)構(gòu)?！币笃秸f。
機會總是給有準備的人。
王桂榮的研究團隊在前期工作中研究了多種重大農(nóng)業(yè)害蟲的近200多個氣味受體的功能。其中一個有趣的發(fā)現(xiàn)是，豌豆蚜在遇到外界威脅的時候會釋放一種化合物，告訴附近的同類“這里有危險！你們趕快跑！”這種化合物就是報警信息素反—β—法尼烯（EBF）。
他們揭示了多種蚜蟲通過保守的氣味受體ApOR5-Orco特異性地識別報警信息素，并進一步闡明了報警信息素如何巧妙地調(diào)控天敵昆蟲精準定位蚜蟲的嗅覺機制?！皥缶畔⑺丶捌漕愃莆锏氖荏w在蚜蟲這類重大害蟲中高度保守，作為昆蟲行為調(diào)控劑的潛力巨大。”王桂榮說。
殷平說，因為已知了報警信息素和豌豆蚜氣味受體之間的互作關(guān)系，這給他們的研究確定了一個比較明確的方向，不過困難依然存在。十多年來，國際上多個實驗室試圖解析OR-Orco復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，都沒有取得成功。其中最主要困難是如何獲得足量的均一化的OR-Orco蛋白復(fù)合物。
“我們篩選了100多個昆蟲氣味受體OR-Orco復(fù)合物，很巧的是，發(fā)現(xiàn)報警信息素受體復(fù)合物ApOR5-Orco的表達量比較高，容易獲得純度高的蛋白質(zhì)?！惫餐谝蛔髡咔耢n說。
四聚體的四個部分“長相”接近，究竟他們在三維結(jié)構(gòu)中以什么比例存在一直是科學(xué)家好奇的。此前有預(yù)測認為，四聚體中有兩種結(jié)構(gòu)，它們以2:2的比例存在于四聚體中。但究竟“真相”如何尚不可知。
其次，盡管已知報警信息素和氣味受體之間的關(guān)系，但并不能保證精準地“抓到”二者結(jié)合在一起的瞬間。
“我們試了很多辦法，最終抓到了它們在靜息狀態(tài)和激活狀態(tài)下的獨特三維結(jié)構(gòu)?！蓖跻鈻|說。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，四聚體中僅ApOR5亞基具有與報警信息素結(jié)合的能力，而ApOrco亞基則作為支撐結(jié)構(gòu)。當ApOR5亞基與報警信息素結(jié)合后，四聚體的不對稱孔打開一個口子，供離子流入，并影響下游的行為。
“論文投出去以后審回修改就經(jīng)歷了一年多時間?！蓖豕饦s說，博士后出站有時間限制。如果是其他人，也許會選擇發(fā)一篇論文就出站了，但是王意東堅持要把問題搞透。經(jīng)過多少個節(jié)假日的加班加點，他們補充了大量必要的試驗，交給論文評審人的回復(fù)長達幾十頁，這篇論文終于在王意東出站前完成了。
中國科學(xué)院外籍院士、德國馬克斯·普朗克學(xué)會化學(xué)生態(tài)學(xué)研究所研究員Bill Hansson說，這一具有開創(chuàng)性的論文成果具有深遠的意義，因為人們對嗅覺受體如何識別生物體內(nèi)分子的機制仍不完全了解。此外，他們的研究聚焦于蚜蟲這一重要的農(nóng)業(yè)害蟲，這些發(fā)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)害蟲防控具有潛在的應(yīng)用價值。
王桂榮說，他們已經(jīng)建立了昆蟲行為調(diào)控劑高通量篩選平臺，下一步將利用這次研究成果研發(fā)針對氣味受體的新型綠色農(nóng)藥?！暗撬羞@些工作的核心是需要準確的氣味受體三維結(jié)構(gòu)。我們的工作將給今后的受體組合篩選提供科學(xué)的借鑒?！蓖豕饦s說。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adn6881
