Chinesische Wissenschaftler entschlüsseln uraltes Geheimnis der Biosynthese

Die Chitinbiosynthese ist ein alter und konservierter Biosyntheseweg. Karte vom Science Visualization Center of China Science News

Von Trilobiten bis zu Schmetterlingen, von Seeanemonen bis zu Schnecken, von Hefe bis zu Candida albicans ... Chitin ist überall vorhanden. Chitin, allgemein als Chitin bekannt, tauchte bereits während der kambrischen Explosion des Lebens vor 530 Millionen Jahren auf. Es kommt heute häufig in Pilzen, Arthropoden, Weichtieren, Ringelwürmern, Hohltieren und Protozoen vor, wird jedoch in Pflanzen und Säugetieren nie synthetisiert.

Wissenschaftler versuchen, das Geheimnis der Chitinbiosynthese zu lüften, einem alten und gut erhaltenen Syntheseweg. Am 21. September veröffentlichten das Team von Professor Yang Qing vom Institut für Pflanzenschutz/Institut für Agrargenomik der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften und Gong Yong, ein Forscher am Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, online in Nature ein Forschungsergebnis, dessen Fertigstellung fünfzehn Jahre gedauert hatte.

Diese Studie entschlüsselte die Kryo-Elektronenmikroskopie-Struktur der Chitinsynthase aus Phytophthora sojae und enthüllte damit erstmals den vollständigen Prozess der Chitinbiosynthese. Zudem wurde der Mechanismus aufgeklärt, durch den Nikkomycin die Chitinbiosynthese hemmt. Dies ist der erste in Nature veröffentlichte Artikel auf dem Gebiet der Pestizidforschung meines Landes.

Qian Xuhong, Mitglied der Chinesischen Akademie der Ingenieurwissenschaften und Präsident der Pädagogischen Universität Ostchina, wies darauf hin, dass die Forschung einen fast 50 Jahre alten Entwicklungsstau im Bereich der Chitin-Pestizide durchbrochen und eine Bühne für die Verwirklichung des seit Jahrzehnten unerfüllten Traums von umweltfreundlichen Pestiziden geschaffen habe: die präzise Entwicklung grüner Pestizide auf Grundlage der Struktur der Chitin-Synthase. Dieses Forschungsergebnis ist von bahnbrechender Bedeutung und zeigt, dass Chinas Forschungs- und Entwicklungsniveau im Bereich Pestizide auf das Niveau ursprünglicher Innovationen in der Grundlagentheorie angehoben wurde. Dies ist zugleich einer der wichtigsten grundlegenden Fortschritte in der weltweiten Forschung und Entwicklung innovativer Pestizide der letzten Jahrzehnte.

Neue Hoffnung für grüne Pestizide

Chitin ist ein natürliches Biopolymer, das aus N-Acetylglucosamin besteht. Seine Biosynthese ist für das Überleben und die Vermehrung einer großen Zahl von Organismen von entscheidender Bedeutung, darunter auch für viele Schädlinge, pathogene Pilze und Eipilze, die die landwirtschaftliche Produktion ernsthaft schädigen.

Kang Le, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Präsident der Hebei-Universität, sagte, dass Eipilze möglicherweise die niedrigsten Organismen seien, die Chitin synthetisieren können. Die Chitinsynthese ist ein äußerst alter und gut erhaltener Stoffwechselweg, der für die Bildung und Entwicklung des Exoskeletts, der Luftröhre, des Verdauungstrakts usw., die vom Ektoderm von Insekten und Arthropoden gebildet werden, von wesentlicher Bedeutung ist und für viele Mikroorganismen eine Kohlenstoff- und Stickstoffquelle darstellt.

Der korrespondierende Autor des Artikels, Yang Qing, erklärte gegenüber China Science Daily, dass Chitin ein unverzichtbarer Strukturbestandteil sowohl bei Insekten als auch bei Pilzen sei, bei Pflanzen und Säugetieren jedoch nicht vorkomme. Daher ist Chitinsynthase eines der wichtigsten Ziele für die Entwicklung effizienter, sicherer und umweltfreundlicher Pestizide. „Chitinsynthase ist das Ziel sowohl von Fungiziden als auch von Insektiziden“, sagte Yang Qing.

Derzeit verringert der Einsatz von Pestiziden die direkten wirtschaftlichen Verluste in meinem Land um etwa 100 Milliarden Yuan pro Jahr, doch die Toxizität und Resistenz von Schädlingen und Krankheiten stellen eine große Herausforderung dar. Yang Qing sagte, dass die Beschleunigung der Forschung und Entwicklung sicherer Pestizide mit neuen Wirkmechanismen eine wirksame Lösung sei. Der Kern des wissenschaftlichen Problems liegt in den molekularen Zielen der Pestizide, also in biologischen Makromolekülen im Körper von Schädlingen und Krankheiten, die sich mit Pestizidmolekülen verbinden können, um ihre Wirksamkeit zu entfalten, wie etwa Proteine, Enzyme, Peptide und Nukleinsäuren.

Allerdings zielen derzeit 70 % der weltweit weit verbreiteten Insektizide nur auf fünf molekulare Ziele ab, und 60 % der weit verbreiteten Fungizidarten zielen nur auf drei Ziele ab. „Es gibt nur sehr wenige molekulare Ziele.“ Chen Wei, Erstautor der Studie und assoziierter Forscher am Institut für Pflanzenschutz, sagte, dass der langfristige Einsatz von Pestiziden gegen ein einzelnes Ziel leicht dazu führen könne, dass Schädlinge und Krankheiten eine hohe Resistenz entwickeln. Dies führe letztlich dazu, dass Pestizide die Schädlings- und Krankheitspopulationen nicht mehr unter Kontrolle halten könnten und es zu häufigen Schädlings- und Krankheitsausbrüchen käme. Dies stellt auch ein großes Problem bei der weltweiten Schädlings- und Krankheitsbekämpfung in der Landwirtschaft dar.

Song Baoan, Mitglied der Chinesischen Akademie der Ingenieurwissenschaften und Präsident der Universität Guizhou, wies darauf hin, dass die Entwicklung und Nutzung umweltfreundlicher molekularer Ziele für Pestizide zu einem wichtigen Bedürfnis des Landes geworden sei. Ein neues Ziel kann nicht nur Dutzende oder sogar Hunderte von Pestizidvarianten hervorbringen, sondern auch das Problem der Pestizidresistenz bestehender Pestizidvarianten erheblich lindern.

Seit den 1970er Jahren werden aktive niedermolekulare Verbindungen entwickelt, die die Chitinsynthese hemmen können. Diese Verbindungen haben als Fungizide und Insektizide große Anwendungs- und Marktaussichten gezeigt. So zeigte beispielsweise das 1976 von Bayer entdeckte Nikkomycin eine gute fungizide Wirkung gegen eine Reihe landwirtschaftlicher Krankheitserreger wie Phytophthora solani, Saprolegnia solani und Aspergillus fumigatus und befindet sich derzeit in der Phase II der klinischen Erprobung als Antimykotikum für den menschlichen Gebrauch. Die 1978 künstlich synthetisierten Benzoylharnstoffverbindungen können Insekten wirksam an der Synthese von Chitin hindern. Derzeit nimmt diese Art von zusammengesetzten Pestiziden 3 % des Insektizidmarktes ein, der Jahresumsatz erreicht 441 Millionen US-Dollar.

Obwohl in den letzten 50 Jahren Länder auf der ganzen Welt viel Personal, materielle Ressourcen und Enthusiasmus investiert haben, um mehr Arten und effizientere umweltfreundliche Pestizide gegen die Chitinsynthase zu entwickeln, waren die Fortschritte stets langsam.

„Einer der wichtigsten Gründe ist der Mangel an genauen dreidimensionalen Strukturinformationen der Chitinsynthase. Die unklare Struktur-Funktions-Beziehung der Chitinsynthase hat die Entwicklung neuer Pestizide, die auf dieses Enzym abzielen, ernsthaft behindert.“ Yang Qing sagte, dass die Schwierigkeit bei der Untersuchung der Chitinsynthase darin liege, dass es sich dabei um ein an die Zellmembran gebundenes Membranprotein handele. Damit Membranproteine ​​in vitro stabil existieren können, benötigen sie eine Umgebung, die die Zellmembran simuliert, was jedoch schwer zu erreichen ist.

Molekularer Mechanismus der Chitinsynthese erstmals aufgeklärt

„Wir waren uns immer über die ungelösten wissenschaftlichen Probleme der Chitinsynthase im Klaren, daher können wir uns diesem Problem direkt widmen, um die Antwort zu finden, wenn die Technologie ausgereift ist.“ Yang Qing sagte, dass die erfolgreiche Analyse des Mysteriums der Chitinsynthase vom Fortschritt in Wissenschaft und Technologie sowie vom langfristigen Engagement ihres Teams in der Chitinbiologieforschung und den umfangreichen Erkenntnissen in der Chitinsynthese, -hydrolyse und -modifikation profitiert habe.

Als Forschungsobjekt wählten sie die Chitinsynthase PsChs1 von Phytophthora sojae. Chen Wei führte aus, dass es sich bei der Sojabohnen-Phytophthora um einen Eipilz handelt und dass sie der Haupterreger der Wurzel- und Stängelfäule bei Sojabohnen ist, wodurch weltweit jedes Jahr wirtschaftliche Verluste von über einer Milliarde US-Dollar entstehen. Die Sojabohnenfäule führt in meinem Land jedes Jahr zu einem Verlust von 10 % der Sojabohnenernte.

Mittels Kryoelektronenmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenbeugung und anderen Techniken analysierte Yang Qings Team die dreidimensionale Struktur der Chitinsynthase in fünf verschiedenen Zuständen, die jeweils den freien Zustand des Enzyms, den substratgebundenen Zustand, den chitinkettengebundenen Zustand, den produktgebundenen Zustand und den Zustand darstellen, in dem die Enzymaktivität gehemmt ist.

Die dreidimensionale Struktur der Chitinsynthase. Foto mit freundlicher Genehmigung der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften

Chen Wei sagte, dass die Entdeckung dieser Strukturen zum ersten Mal den Arbeitsmechanismus der Chitinsynthase enthüllt habe: Zuerst überträgt die Chitinsynthase die Zuckergruppe auf dem Donorsubstrat auf die Akzeptor-Chitinzuckerkette; Anschließend wird die neu erzeugte Chitinzuckerkette durch den „transmembranösen Transportkanal“ auf der Zellmembran nach außen freigesetzt. Schließlich bilden die freigesetzten Chitinketten spontan Chitin-Nanofasern.

Mechanismus der Chitinbiosynthese. Bild bereitgestellt von der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften

Kang Le wies darauf hin, dass diese Studie zum ersten Mal auf atomarer Ebene einen mehrstufigen, gezielten Chitinbiosyntheseprozess enthüllt habe, der durch Chitinsynthase katalysiert wird, was einen großen Durchbruch auf dem Gebiet der Biologie darstelle.

Weitere Untersuchungen ergaben, dass nach dem Ausschalten des Chitinsynthase-Gens von Phytophthora Lebensprozesse wie Myzelwachstum, Sporangienproduktion und Zoosporenfreisetzung von Phytophthora beeinträchtigt wurden, wodurch die Virulenz und Reproduktionsfähigkeit von Phytophthora stark reduziert wurden. Daher kann die Chitinsynthase von Phytophthora sojae nicht nur als gutes Fungizidziel dienen, sondern auch als Modell für die Chitinsynthaseforschung dienen.

Das Team untersuchte auch das Bindungsmuster der Chitinsynthase und des aktiven kleinen Molekülinhibitors Nikkomycin und erklärte den Mechanismus, durch den Nikkomycin die Chitinbiosynthese hemmt.

Meilenstein in der präzisen Entwicklung umweltfreundlicher Pestizide

„Die Strukturinformationen zur Chitinsynthase und ihrer Bindung an Substrate, Produkte und Inhibitoren geben auch neue Hoffnung für die rationale Entwicklung kleiner Moleküle, die auf die Chitinsynthase abzielen, um die Populationsgröße schädlicher Insekten zu kontrollieren“, sagte Kang Le.

Yang Qing betonte, dass die Ähnlichkeit der Gensequenz der Chitinsynthase der Sojabohnenphytophthora mit der der zehn weltweit gefährlichsten landwirtschaftlichen Phytophthora, wie Kartoffelphytophthora, Eichenphytophthora und Pfefferphytophthora, mehr als 95 % betrage und dass die dreidimensionale Struktur der Chitinsynthase der Sojabohnenphytophthora eine Vorlage für die molekulare Entwicklung von Fungiziden zur Vorbeugung und Bekämpfung der Sojabohnenphytophthora und der Kraut- und Knollenfäule der Kartoffel biete. Dies bietet die Möglichkeit, neue Wirkstoffe zur Bekämpfung landwirtschaftlicher Schädlinge zu entwickeln und das Problem der Pestizidresistenz zu lösen.

Song Baoan wies darauf hin, dass dies ein Meilenstein für chinesische Wissenschaftler auf dem Gebiet der molekularen Zielforschung bei Pestiziden sei, der die präzise Entwicklung grüner Pestizide ermögliche, die auf die Chitinsynthase abzielen. Dies wird dazu beitragen, wirkungsvolle umweltfreundliche Pestizidsorten zu entwickeln, die Wettbewerbsfähigkeit der Pestizidindustrie meines Landes zu stärken, landwirtschaftliche Schädlinge vorzubeugen und zu kontrollieren und die Ernährungssicherheit meines Landes zu gewährleisten.

Komplex aus Chitinsynthase und Nikkomycin. Foto mit freundlicher Genehmigung der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften

Yang Qing erklärte gegenüber China Science Daily, dass der Biosynthesemechanismus von Chitin sehr konservativ sei, es aber dennoch Unterschiede in der Struktur der Chitinsynthase bei verschiedenen Arten gebe. „Wir müssen das entwickelte kleine Molekül umfassend prüfen, um seine Sicherheit für nützliche Insekten sicherzustellen.“

Im nächsten Schritt werden sie eingehende molekulare Designforschung zu Chitinsynthase-Inhibitoren für wichtige Krankheitserreger wie Sojabohnen-Phytophthora, Kartoffel-Phytophthora sowie wichtige Schädlinge wie den Herbst-Heerwurm und die Asiatische Wanderheuschrecke durchführen. Führen Sie Feldversuche durch, um die Wirksamkeit und Sicherheit dieser Chitinsynthase-Hemmer im Feld zu bewerten und die Registrierung unabhängiger innovativer Pestizide abzuschließen.

„Von der Forschung bis zur anwendungsreifen Produktion können zehn Jahre oder sogar länger vergehen. Dabei spielen die Arzneimittelzulassungssysteme verschiedener Länder eine Rolle, insbesondere bei Pestiziden. Es muss sichergestellt werden, dass sie für Menschen, Nutztiere, Wasserlebewesen und die Umwelt unbedenklich sind. Es bedarf noch viel weiterer Forschung“, sagte Yang Qing.

Das Institut für Pflanzenschutz der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften ist die erste vollständige Einheit des Papiers. Chen Wei, Professor Cao Peng von der Technischen Universität Peking und Dr. Liu Yuansheng von der Technischen Universität Dalian sind die Co-Erstautoren dieses Artikels, und Yang Qing und Gong Yong sind die Co-Korrespondenzautoren.

Informationen zum zugehörigen Artikel: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05244-5

Quelle: China Science Daily https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/9/486613.shtm