分享好友 资讯首页 资讯分类 切换频道

中国人民大学发现一种安全有效的百草枯前体化合物

2025-01-16 11:202030

近日,中国人民大学化学与生命资源学院王亚培课题组提出了一种生物安全的百草枯前体——羧甲基紫精(CMV),其两性离子的结构特性削弱了细胞的摄取,从而减弱了其生物毒性,在细胞和小鼠模型中表现出优异的安全性。此外,它还可以在温和的条件下发生脱羧反应形成甲基紫精(百草枯,MV),并在除草实验中表现出令人满意的效果。

 

杂草生长严重影响了粮食产量和质量,对全球粮食安全和可持续农业发展构成严重威胁。据报道,杂草会导致主要作物的全球收成减少约34%。目前,除草剂是应对杂草问题的主要手段,其中百草枯因其除草效率高、成本低、水溶性好和环保性等特性,深受市场青睐。然而,百草枯对人毒性极高,且无特效解毒药,一旦意外摄入,死亡率极高,因此,百草枯已在20多个国家被禁止或者严格限制。遗憾的是,到目前为止,还没有发现任何除草剂替代品能够在广谱除草效果和成本方面与百草枯媲美。因此,迫切需要开发新的策略和技术来解决意外摄入百草枯造成的安全问题,从而促进百草枯的安全使用。

 

基于以上背景,中国人民大学化学与生命资源学院王亚培课题组开发了一种生物安全的百草枯前体。如图1所示,在可控的条件下,百草枯前体的安全锁被打开,转变为可以具有除草活性的百草枯。

 

 

1. 生物安全百草枯前体及其通过脱羧反应转化为有毒百草枯的示意图

 

作者首先研究了该过程的脱羧动力学。脱羧反应广泛存在于生化过程中,在有机合成领域发挥了重要作用。通过使用催化剂或提高温度等方法,可以加速脱羧反应,同时释放出二氧化碳(CO)。此外,羧基a位的强吸电子基团能够促进脱羧反应。热重分析(TGA)证明了CMV脱羧成功并转化为MV(图2a)。在不同pH值下的羧基均能充分离子化,所以脱羧反应对pH变化表现出轻微敏感性,在8小时内所有pH条件下实际测得的CO释放量远低于理论值(图2b)。这主要是因为在水中的氢键对羧酸根阴离子具有一定的屏蔽作用,为此引入了毒性较低的氢键竞争剂DMSO来促进脱羧反应,结果证明脱羧反应在水/DMSO混合液(体积比40:60)中最为有利(图2c)。在70°C60% DMSOv/v)条件下的脱羧反应中,通过紫外-可见光谱(UV-Vis)和1H NMR光谱可以看到,3小时内即有超过80%CMV发生脱羧(图1e和图1f)。

 

 

2. 百草枯前体的合成及其通过脱羧反应的活化

 

作者还评估了CMVMVBEAS-2B细胞(人正常肺上皮细胞)和L929细胞(小鼠成纤维细胞)的细胞毒性。如图3a-3b所示,MV在两种细胞系中表现出剂量依赖性的毒性,而CMV在相应浓度范围内表现出可忽略的毒性。由于MV的毒性主要源于活性氧(ROS)的产生(图3c),作者利用ROS荧光探针DCFH-DA评估了BEAS-2B细胞暴露于CMVMV后的ROS水平。如图3d所示,与阳性对照组相比,MV处理的细胞显示出显著的绿色荧光,表明ROS水平极高。相比之下,CMV组和对照组的细胞仅显示出可忽略的绿色荧光,表明CMV处理不会引发细胞的氧化应激,进一步证明了CMV的无毒性。如图3e所示,MV处理的细胞在JC-1染色后表现出强烈的绿色荧光,表明MV引起了显著的线粒体损伤。相反,CMV组并未发现细胞线粒体的明显损伤。这一发现进一步支撑了CMV具有良好安全性的结论。

 

 

3. 细胞模型中CMV的生物安全性评价

 

作者采用了体内小鼠模型进一步验证CMVMV的不同安全性。在第30天,对接受CMVMV处理的小鼠主要器官进行了毒性评估,包括血清生化检测和组织病理学诊断(图4a)。如图4b-4d所示,CMV组小鼠的血清指标(肝功能标志物天冬氨酸氨基转移酶(AST)和丙氨酸氨基转移酶(ALT),肾功能标志物尿酸(UA)和血尿素氮(BUN))与对照组无明显差异。相反,MV组小鼠的血清指标则出现了剂量依赖性的显著升高,表明MV引起了严重的肝肾损伤。对不同组小鼠肺组织进行Masson三色染色的结果(图4e)表明MV组小鼠的肺组织显示出明显的纤维化(红色箭头,蓝色染色),此外,肺纤维化的严重程度与MV的剂量浓度呈正相关。而在CMV组,三种浓度下小鼠的肺组织均未发现明显的纤维化情况。这些结果共同证明,在较低的CMV浓度下,CMV相比MV安全性更高。

 

 

4. 小鼠模型中CMV的体内安全性评价

 

作者最后探究了CMV作为百草枯前体在除草中的实际应用。为了便于使用,作者将CMV的脱羧反应与一个便携的加热装置结合使用(图5a)。如图5b所示,与对照组和CMV组中的黑麦草相比,经T-MV处理的黑麦草逐渐褪色并枯萎,这反映了T-MV通过破坏叶绿体导致植物叶片脱落的过程。室外除草实验的结果不仅进一步证实了T-MV的高效除草活性,也再次确认了CMV的生物安全性。 

 

 

5. CMV转化后的MV的除草活性

 

综上所述,该团队通过一种一锅反应合成了一种生物安全的百草枯前体CMVCMV在细胞和小鼠模型中表现出优异的安全性,加热后可在短时间内脱羧为百草枯,使其适用于农业杂草控制。通过合理设计,为百草枯引入安全锁,防止人类意外摄入。这种安全功能可以在温和的条件下解锁,释放百草枯的除草能力。CMV采用的脱羧策略为预防百草枯意外中毒问题提供了一种新方法,并开辟了将这种基于脱羧的前体药物设计策略扩展到其他剧毒除草剂或杀虫剂的可能性。

 

文章链接:https://doi.org/10.31635/ccschem.024.202404831

 

来源公众号:CCSChemistry

 


举报
收藏 0
打赏 0
评论 0
瑞丰科技研发的昆虫迷向智能散发器创新成果获专利授权
近日,广州瑞丰生物科技有限公司自主研发的″昆虫迷向智能散发器″正式获得国家知识产权局颁发的专利证书。本次获授专利的″昆虫迷向智能散发器″,是一项基于昆虫性信息素技术的精准化虫害防控装备。该设备通过内置智能控制系统,实现对性信息素释放剂量与周期的毫秒级精准调控,并借助气流辅助扩散系统,使信息素在田间形

2026-07-037

给杂草打上″荧光标签″,中国农大团队在智能除草视觉识别与环境安全双重关卡取得突破
近日,中国农业大学工学院彭彦昆教授团队苏文浩研究员课题组在国际权威期刊《危险材料杂志》(Journal of Hazardous Materials)和《农业计算机与电子》(Computers and Electronics in Agriculture)连续发表2篇研究论文,系统揭示了作物外源信号标记物的高精感知及其在复杂大田环境中的土壤多维演化规律。本系列研究立足

2026-07-038

恶性杂草千金子被首次证实可作为水稻黑条矮缩病毒的天然储毒寄主
南方水稻黑条矮缩病毒(Southern rice black-streaked dwarf virus,SRBSDV)是我国及亚洲水稻生产上的重要病毒病原,由白背飞虱(Sogatella furcifera)以持久性方式传播,可导致水稻严重减产。2026年6月,宁波大学植物病毒学研究所李俊敏研究员团队在《Crop Health》发表题为Leptochloa chinensisidentified as a new res

2026-07-038

华南农大研究团队开发基于全新逆转录酶的通用型精准编辑技术体系
6月26日,华南农业大学农学院林秋鹏教授、祝钦泷研究员团队,联合广州医科大学生命科学学院/附属番禺中心医院黄佳颖教授团队,在Advanced Science(中科院一区Top期刊,影响因子14.1)在线发表题为″Discovery and engineering of a rat endogenous retrovirus reverse transcriptase for efficient prime editing″的研究

2026-07-0211

营养+治虫+土壤修复:巴西Biomix推出多功能肥料FNI
巴西公司Biomix近日在2026年Hortitec展会上推出了其新款FNI(含微生物天然肥料),其技术将植物营养、生物活性和作物保护整合于单一解决方案之中。产品用于增强土壤生物活性,同时提高养分可利用性,并提升植物防御能力。据Biomix介绍,FNI将有益微生物融入天然肥料,打造出一款多功能产品,以促进土壤健康、养分吸收和作物

2026-06-2637

新型四唑肟类杀菌剂四唑吡氨酯在美国、加拿大等的登记产品
四唑吡氨酯(Picarbutrazox)是由大日本墨水公司发现,2004年转让给日本曹达公司开发的四唑肟类杀菌剂。四唑吡胺酯为高效卵菌纲专用杀菌剂,兼具内吸传导性,兼具保护与治疗作用,不易产生抗性。农业上应用分为两大方向,叶面喷施可防治黄瓜、番茄、葡萄等作物霜霉病、晚疫病、白锈病;种子处理多用于玉米、大豆、豆类,有

2026-06-2354

增产10.6%!西北农林科技大学&黑能量增产肥小麦试验研究项目专家测产验收会!
2026年6月11日下午,西北农林科技大学黑能量增产肥小麦试验研究项目专家测产验收会在三原县粮食生产科技示范基地(陕西省三原县渠岸镇惠家村)举行。农业农村部小麦专家指导组成员、西北农林科技大学农学院张睿研究员,以及来自铜川市农业科学研究所、咸阳市农业技术推广中心站、富平县农业技术推广中心、三原县农业科学技

2026-06-1764

苯甲酸甲酯(methyl benzoate)对茶尺蠖防效优异,具备规模化应用潜力
当前茶园防控高度依赖化学农药,长期滥用引发害虫抗药性、茶叶农药残留、生态环境污染等诸多问题,急需研发环境友好型替代药剂。其中,茶尺蠖是茶园主要食叶害虫,幼虫啃食茶叶造成大幅减产与品质下降。苯甲酸甲酯(MB)是一种天然植物源化合物,对茶园重大害虫茶尺蠖具有触杀、熏蒸、拒食、抑产卵、杀卵等多重生物活性,还

2026-06-1265

华东理工大学朱为宏院士团队开发温度响应型纳米农药,减半用药仍达98%防效
近日,华东理工大学化学与分子工程学院朱为宏院士和化工学院徐益升教授团队在聚合物纳米农药精准沉积与高效递送研究中取得新进展。相关成果以″A dynamic charge-dependent nanofungicide platform for sustainable agrochemical deposition and delivery″为题,发表于Chem期刊。农药喷施是保障粮食生产的重要技术手段,但

2026-06-1172

环三硫醚绿色合成新突破,为水稻细菌病害防治提供新骨架先导
植物细菌性病害是由致病病原细菌引发的一类重大病害,在全球农业生产中造成严重经济损失。目前田间防治该类病害仍以铜制剂、农用抗生素等药剂为主,存在重金属污染、抗药性日益增加等问题。因此,开发新骨架、高活性的新型防治药剂,已成为当前绿色农药创制领域亟需攻克的难题。近日,安徽农业大学资源与环境学院李亚辉教授

2026-06-1074