我国学者与海外合作者利用手性纳米农药精准识别并高效杀灭烟草花叶病毒

　　

图 （A）手性纳米材料特异性识别烟草花叶病毒蛋白亚基；（B-G）手性纳米材料特异性杀灭作物中烟草花叶病毒的机制；（H）封面文章

　　在国家自然科学基金项目（批准号：32071400、21925402、21977038）等资助下，江南大学匡华、胥传来教授团队与美国密歇根大学、巴西圣卡洛斯联邦大学、伊利诺伊大学、中国农业科学院烟草研究所合作，开展与生物分子结构域匹配的手性纳米颗粒研制，精准识别烟草花叶病毒外壳蛋白亚基，高效阻断烟草花叶病毒对农作物的侵染。研究成果以“光响应手性纳米颗粒选择性水解植物病毒外壳蛋白（Site-Selective Proteolytic Cleavage of Plant Viruses by Photoactive Chiral Nanoparticles）”为题，于2022年8月19日发表在《自然·催化》（Nature Catalysis）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-022-00823-1。

　　农药在农业生产中不可或缺，而农药的大量使用，又会导致抗药性、作物残留、环境污染等问题，严重制约了农业的可持续发展。植物病毒每年在全球造成数百亿美元的损失。烟草花叶病毒（TMV）是人类发现的第一个植物病毒，外壳是由2130个蛋白亚基形成的螺旋管状结构，内管直径～4nm，遗传物质单链RNA在其中。TMV性能稳定，侵染多种作物，能在多种植物上越冬，严重影响农作物产量和品质。江南大学匡华、胥传来教授团队以青霉胺为配体，发展与TMV病毒螺旋管内孔尺度和构象匹配的手性纳米颗粒，制备了手性硫化铜纳米颗粒（～3nm）。研究发现右手性纳米颗粒（D-NP）识别TMV蛋白亚基Q₉₉AN^PTTA₁₀₅位点，亲和力是左手性纳米颗粒（L-NP）的20倍，是非手性纳米颗粒的5000余倍。在光的辅助下，特异性水解断裂101位的天冬酰胺（N）和102位的脯氨酸（P）之间的肽键（图）。

　　研究表明，手性硫化铜纳米材料与TMV外壳蛋白亚基具有高亲和性，牢固结合在TMV病毒螺旋管内部。硫化铜纳米颗粒与蛋白亚基Q₉₉AN^PTTA₁₀₅位点的特异性亲和，使得N₁₀₁-P₁₀₂的肽键与P₁₀₂的吡咯环形成二面角，N^P肽键的稳定性被削弱。手性硫化铜纳米颗粒在光的激发下，发生电子转移，Pro₁₀₂中N原子上的电子密度急剧增加，易受到H₂O分子的亲核攻击，导致肽键水解。

　　进一步研究证实，用D-NPs水溶液（1 μM，5mL/株）喷洒受TMV侵染的作物，3天内>95%的病毒即可被清除，效率显著高于目前所有抗植物病毒的化学农药。该手性纳米农药通过植物叶面气孔，被植物快速吸收，利用率高。监测作物的根、茎、叶以及土壤等，发现该新型手性纳米颗粒施药浓度远小于土壤和植物基础铜含量，无作物残留，可望作为一种绿色、安全的新型农药，为手性纳米材料的应用找到新方向。