農(nóng)藥學(xué)中的化學(xué)生物學(xué)實驗教學(xué)探索與創(chuàng)新

李向陽

(貴州大學(xué)精細化工研究開發(fā)中心，貴州貴陽550025)

農(nóng)藥學(xué)中的化學(xué)生物學(xué)是農(nóng)藥學(xué)與生物學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域相互交叉、相互滲透的產(chǎn)物，正在成為一門重要的新興交叉學(xué)科。農(nóng)藥學(xué)中的化學(xué)生物學(xué)研究一般都是以對植物體的生理或病理過程中具有干預(yù)或調(diào)控作用的小分子生物活性的化合物為基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)其在植物體中的分子靶標，研究這些化合物與植物體中的靶標分子之間的相互作用，進一步采用農(nóng)藥學(xué)方法改造其結(jié)構(gòu)，通過生物測試篩選出具有某種生物活性的化合物，探討其結(jié)構(gòu)與生物活性之間的關(guān)系，進一步研究其作用機制，闡明植物生理或病理過程的發(fā)生、發(fā)展與調(diào)控機制，揭示植物病菌病害的致病分子機理，開發(fā)新型高效安全的綠色農(nóng)藥。結(jié)合了傳統(tǒng)的天然產(chǎn)物化學(xué)、農(nóng)藥化學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)和計算機輔助設(shè)計學(xué)等學(xué)科的部分研究方法，大大拓寬了研究領(lǐng)域［1］。

農(nóng)藥學(xué)的創(chuàng)新是尋找農(nóng)藥新靶標，開展農(nóng)藥靶標的化學(xué)生物學(xué)研究，建立一些有結(jié)構(gòu)生物學(xué)基礎(chǔ)的農(nóng)藥分子設(shè)計生物模型［2-4］。例如，中科院昆明植物所郝小江研究員從馬藍中發(fā)現(xiàn)了多裂孕烷醇，可高效抑制煙草花葉病毒(TMV)病毒亞基因組的復(fù)制［5］。南開大學(xué)席真教授發(fā)現(xiàn)牛心撲子草活性成分NK007可高效抑制TMV病毒組裝，提出NK007的作用靶標位于TMV核糖核酸(RNA)的起始堿基上［6］。貴州大學(xué)宋寶安教授通過人工合成的方法獲得了Dufulin，并發(fā)現(xiàn)其可以激活煙草水楊酸信號通路，它的作用靶點位于煙草的細胞壁受體蛋白(HrBP1)上［7-8］。筆者所在的課題組通過凝膠排阻色譜法(SEC)、非變性聚丙烯酰胺電泳法(Native-PAGE)和等溫滴定量法(ITC)等非標記方法發(fā)現(xiàn)小分子化合物促使TMV外殼蛋白(CP)盤狀結(jié)構(gòu)(20S)解組裝，抑制病毒的增殖［9-10］。

TMV CP 20S與宿主的致病性和病毒的擴增密切相關(guān)，除了保護病毒RNA不被降解外，還參與病毒與宿主之間的應(yīng)答反應(yīng)，是抗植物病毒化合物的潛在分子靶標。開展小分子化合物與TMV CP 20S之間的化學(xué)生物學(xué)教學(xué)和實驗對農(nóng)藥學(xué)中的化學(xué)生物學(xué)的教學(xué)探索與創(chuàng)新具有重要的指導(dǎo)作用。

1 理論課教學(xué)探索與創(chuàng)新

1.1 農(nóng)藥學(xué)中的化學(xué)生物學(xué) 在農(nóng)藥學(xué)領(lǐng)域，化學(xué)生物學(xué)已經(jīng)成為舉足輕重的一門交叉學(xué)科，開展農(nóng)藥靶標的化學(xué)生物學(xué)研究，建立一些有結(jié)構(gòu)生物學(xué)基礎(chǔ)的農(nóng)藥分子設(shè)計生物模型是農(nóng)藥學(xué)中的重要任務(wù)。因此，化學(xué)生物學(xué)不僅是研究植病過程中農(nóng)藥基礎(chǔ)的科學(xué)，還是研究分子靶標導(dǎo)向的綠色農(nóng)藥的科學(xué)，分子靶標、生物模型是農(nóng)藥學(xué)中化學(xué)生物學(xué)的關(guān)鍵。

1.2 選用合適的參考資料 理論課教學(xué)探索與創(chuàng)新的根本來源是選用合適的教材，《化學(xué)生物學(xué)導(dǎo)論》(馬林主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2006年)、《化學(xué)生物學(xué)基礎(chǔ)》(劉磊，陳鵬，趙勁主編，生命科學(xué)前沿出版社，2010年)、《化學(xué)生物學(xué)實驗》(曾秀瓊，吳起主編，科學(xué)出版社，2013年)是化學(xué)生物學(xué)方面的主流教材，適合農(nóng)藥學(xué)中的化學(xué)生物學(xué)教學(xué)和實驗使用。同時，可以利用化學(xué)生物學(xué)專業(yè)知名大學(xué)如廈門大學(xué)、南開大學(xué)、清華大學(xué)的精品課程資源，化學(xué)生物學(xué)國內(nèi)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》等發(fā)表的相關(guān)研究成果也可以作為農(nóng)藥學(xué)中的化學(xué)生物學(xué)實驗教學(xué)探索和創(chuàng)新中的參考資料。

1.3 掌握實驗原理 實驗原理的熟悉程度決定著教師教學(xué)的質(zhì)量和學(xué)生接受新知識的能力，是教學(xué)創(chuàng)新的支撐點和立足點。凝膠排阻色譜法(SEC)是以被分離物質(zhì)的分子量差異為基礎(chǔ)的一種層析分離技術(shù)，這一技術(shù)為判斷生物分子大小提供了一種非常溫和的分離方法［11］。非變性聚丙烯酰胺電泳法(Native-PAGE)是在不加入SDS和疏基乙醇等變性劑的條件下，對保持活性的蛋白質(zhì)進行聚丙烯酰胺凝膠電泳，這一技術(shù)為判斷活性蛋白質(zhì)大分子大小提供了一種有效的驗證方法［11］。等溫滴定量熱技術(shù)(ITC)是一種監(jiān)測由結(jié)合成分的添加而起始的任何化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)技術(shù)。通過ITC可獲得生物分子相互作用的完整熱力學(xué)參數(shù)，可以直接測量焓變△H，結(jié)合常數(shù)Ka，而不對反應(yīng)體系產(chǎn)生影響，也不引入修飾基團［12］。

1.4 實驗方案設(shè)計 一個成功的建筑來源于好的設(shè)計方案圖，實驗教學(xué)的創(chuàng)新也不例外，讓學(xué)生熟練地設(shè)計和掌握實驗方案是成功教學(xué)的關(guān)鍵。

2 實驗課教學(xué)探索與創(chuàng)新

2.1 農(nóng)藥學(xué)中的化學(xué)生物學(xué)實驗現(xiàn)狀分析 化學(xué)生物學(xué)作為化學(xué)領(lǐng)域一門新興的二級學(xué)科，在國內(nèi)一些知名高校中均成立了國家重點實驗室，開展了一些化學(xué)生物學(xué)實驗課程。國內(nèi)農(nóng)藥學(xué)中的化學(xué)生物學(xué)起步相對較晚，僅有一些知名高校開展了農(nóng)藥學(xué)的化學(xué)生物學(xué)教學(xué)任務(wù)，如南開大學(xué)農(nóng)藥領(lǐng)域的化學(xué)生物學(xué)等。貴州大學(xué)精細化工研究開發(fā)中心擁有“農(nóng)藥學(xué)”國家重點學(xué)科、綠色農(nóng)藥與農(nóng)業(yè)生物工程國家重點實驗室培育基地和教育部重點實驗室，該中心通過用農(nóng)藥學(xué)的理論和方法探索干預(yù)和調(diào)控植物病菌病害發(fā)生發(fā)展的途徑和機理，尋找綠色農(nóng)藥的新先導(dǎo)結(jié)構(gòu)、新作用靶標，開展綠色農(nóng)藥創(chuàng)制和作用機制研究，該中心非常重視農(nóng)藥學(xué)中的化學(xué)生物學(xué)這一學(xué)科，筆者所在的課題組研究發(fā)現(xiàn)一些小分子化合物能夠促使TMV CP 20S解組裝，干預(yù)和調(diào)控TMV CP 20S與RNA的正常組裝，抑制病毒的增殖。該研究成果作為農(nóng)藥學(xué)中的化學(xué)生物學(xué)實驗的主要課程之一，對學(xué)生理解課本相關(guān)理論概念與實驗技能提升有重要作用，對學(xué)生的實驗創(chuàng)新具有一定的指導(dǎo)作用。

2.2 開展農(nóng)藥學(xué)中的化學(xué)生物學(xué)實驗課程 筆者以小分子農(nóng)藥調(diào)控TMV CP 20S的組裝為例，介紹一些在農(nóng)藥學(xué)中的化學(xué)生物學(xué)實驗教學(xué)中需要注意的事項。農(nóng)藥學(xué)中的化學(xué)生物學(xué)實驗課程是在學(xué)完理論課程、學(xué)生能夠獨立完成實驗方案設(shè)計之后進行的。在動手進行實驗時，需要理解該實驗的原理:通過利用化學(xué)生物學(xué)研究小分子化合物促使TMV CP 20S解組裝，從而抑制病毒的增殖、干預(yù)病毒的侵染能力;掌握實驗用到的化學(xué)生物學(xué)技術(shù):SEC、Native-PAGE和ITC技術(shù)(原理前文已介紹);熟練操作實驗儀器:快速蛋白純化系統(tǒng)和等溫滴定量熱儀;提前準備實驗材料:TMV CP 20S和小分子化合物;實驗過程中隨時記錄實驗數(shù)據(jù)和利用相關(guān)軟件處理實驗數(shù)據(jù)，最后學(xué)生還需要掌握分析實驗數(shù)據(jù)的能力:如SEC出峰位置與TMV CP 20S分子量大小的關(guān)系;N-ative-PAGE條帶大小與TMV CP 20S分子量大小的關(guān)系;ITC中對擬合結(jié)果的可信值和熱力學(xué)參數(shù)的分析。將理論課程和實驗結(jié)合起來，不但可以提高學(xué)生的動手能力，還可以加強學(xué)生對理論知識的掌握和理解，達到講授與學(xué)習(xí)的同步，培養(yǎng)本科生學(xué)以致用，用以創(chuàng)新的能力，提升本科生考研和出國深造的能力。

3 結(jié)語

農(nóng)學(xué)中的化學(xué)生物學(xué)經(jīng)過近幾年的發(fā)展逐漸成為一門具有自身特點和內(nèi)涵的學(xué)科，將成為研究植物病毒病害的重要手段和新型高效安全的綠色農(nóng)藥研究的重要工具。貴州大學(xué)精細化工研究開發(fā)中心創(chuàng)辦和開展了本科—碩士連讀班，正在開展農(nóng)藥中的化學(xué)生物學(xué)實驗等系列精品課程，旨在為培養(yǎng)化學(xué)生物學(xué)研究型人才奠定基礎(chǔ)。

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