农药：人类社会的保护伞
药融圈第143场专享会嘉宾：华中师范大学教授 杨光富
中组部“万人计划”科技创新领军人才、国家杰出青年科学基金获得者。现任华中师范大学教授、博士生导师、智能生物传感技术与健康国际联合研究中心主任、农药与化学生物学教育部重点实验室主任。1992年毕业于华中师范大学化学系，获理学学士学位；1997年毕业于南开大学，获理学博士学位。2004～2005年赴美国University of Kentucky药学院做高级访问学者。2012年赴加拿大McMaster University化学与化学生物学系做高级访问学者。
1992年从华中师范大学化学系本科毕业，被免试保送至南开大学元素有机化学国家重点实验室攻读农药学专业硕士研究生，1994年提前转博，1997年获得博士学位后又回到华中师范大学工作至今。从硕士阶段学习算起，我从事农药专业研究已经有26年，算得上是一个老农药人了。今天很高兴有这么一个机会和药融圈的朋友一起交流分享我的一些体会！
众所周知，农药是关系到国家稳定和经济发展的重要战略物质，因为民以食为天。习近平总书记讲：中国人的饭碗任何时候都要牢牢端在自己手上，我们的饭碗应该主要装中国粮。我国是一个农业大国，粮食安全始终是国家的一号战略。农药在确保粮食安全方面发挥着不可替代的作用，因此开展绿色农药创制研究是一项利国利民的光荣事业！
农药和医药一样，是人类社会的两大保护伞。农药确保粮食安全，医药保障人类健康。农药研究与医药研究有很多相似之处，两者之间相互借鉴，共同发展。但农药研究和医药研究相比，又有很多差异。归纳起来，这种差异主要体现在四个“多样性”：一是防治对象的多样性。农业有害生物的种类是很多的，不仅有害虫和病原菌，还有各种各样的杂草以及其他有害生物。这些不同的有害生物之间差异很大，即便是害虫，也分鳞翅目、鞘翅目、同翅目等，不同目的害虫差异也很大。二是环境生物的多样性。有害生物和有益生物在环境中是并存的，农药要控制有害生物，使其无法危害农作物的生长，但必须对有益生物不能构成危害。否则，无法获得登记。正因为如此，环境安全性评价是农药登记试验中的一个极其重要的内容。但医药是无需开展环境安全性评价的。从生命进化树的角度来看，理论上来讲，农药研发需要考虑所有物种，而医药研究主要关注的是对人自身的安全性。三是保护对象的多样性。农作物分很多种，有水田作物，如水稻，还有旱地作物，如小麦、玉米等，再还有经济作物，如果树、茶树等。有的作物生长周期很短（如蔬菜），有的作物生长周期很长（如小麦）。这就要求农药的性质有显著的差异。四是环境生态的多样性。农药是投放到环境中去的，光照、温度、湿度、土壤等因素对农药的应用都有重要影响，而医药基本上是不受这些因素影响的。下图表示的是医药研究和农药研究开发流程的异同。从基因组出发，到靶标发现、靶标验证、先导产生、先导展开、先导优化以及候选化合物，这些环节是非常相似的，只是考虑的侧重点有所不同。但确定候选化合物之后，农药开发需要经历毒理学评价、环境安全性评价和田间试验等环节，经审评后才能批准登记，成为一个农药品种。医药开发则需要经过临床前研究和临床研究，经审评后才能批准登记，成为一个医药品种。
正是因为农药研发的复杂性，农药创制与医药创制一样，是一项周期长、投入大、风险高的系统工程。国际公认的统计数据，开发成功一个新农药，需要合成筛选15.9万个化合物，耗资2.86亿美元，历时超过十年。从投资的角度来讲，创制一个新农药的成本大约是创制一个医药的十分之一。所以，农药项目的估值比医药项目低很多。成本是制约农药品种是否具有市场竞争力的一个关键因素。
事实上，和医药研究一样，确定候选化合物之后，开发程序基本上是按部就班的，时间也基本上是固定的。所以，要缩短研发时间，提高研发效率，关键在于如何快速发现候选化合物。所以，分子设计是新农药创制的关键！
说到这里，我想提一下大家都非常熟悉的QSAR理论。这个理论是由Hansch和Fujita共同创立的。QSAR理论在医药研发中发挥了重要作用，是大家公认的经典的药物化学结构-活性关系理论。但可能很多人并不知道，这个理论其实是在研究农药分子的结构与活性关系的过程中建立起来的，但之后在药物化学研究中得到了非常广泛的应用，成为最重要的药物分子设计理论之一。Fujita回到日本之后，在他的倡导下，QSAR理论在日本农药学界得到广泛应用，极大地推动了日本农药科学的发展，使日本先后创制出了拟除虫菊酯、吡虫啉、氯虫苯甲酰胺等重磅炸弹农药新品种，并使日本在2000年以后成为世界农药科学中心。
下图是钱旭红院士在2008年代表中国第一个农药973项目团队提出的愿景：世界农药科学中心最早在欧洲，后来转移到美国，又从美国转移到日本。从世界农药科学中心转移的路径可以看出，农药创制基础理论的变革与创新一直促进着农药科学中心的形成！所以，我国要成为下一个世界农药科学中心，就必须大力加强农药创制基础理论研究。
我们实验室长期致力于农药分子设计研究，希望针对农药创制的基本流程来发展一些有效的分子设计新方法，减少盲目合成，提高农药创制效率。农药活性分子与作用靶标之间的相互作用可以用这样一个方程来描述，L代表农药活性小分子，R代表农药作用靶标，比如蛋白质、受体等。按照热力学原理，两者之间相互作用的吉布斯自由能和农药活性分子的结合常数之间有这样的关系，这里，R是常数，T是温度。
我们通常希望所设计的农药分子是活性非常高的，也就是高效性。换句话来说，农药分子与靶标之间的结合力可以由相互作用的吉布斯自由能来计算。理论上来讲，纳摩尔水平的抑制剂，其绝对自由能大约在负12.3kcal/mol。
农药分子的选择性，也就是农药分子与两个靶标亲和力的比值，这也可以通过计算农药分子与两个作用靶标相互作用自由能的差值来体现。100倍的选择，体现在自由能上，也就是2.73kcal/mol，1000倍的选择性，体现在自由能上，也就是4.10kcal/mol。
农药分子的规避抗药性，这里，我们仅仅考虑因为靶标发生突变而导致的抗药性。因此，一个农药分子的抗性风险，也就可以通过计算其与野生型、突变型靶标相互作用自由能的差值来体现。因此，从这里我们可以看出，选择性和规避抗药性其实是一个问题的两个方面。对于农药分子来讲，我们希望其对有害生物具有广谱生物活性，而对于有益生物又必须具有选择性。所以，从分子靶标的角度来讲，这其实是一个平衡，也就是说农药分子的特征是具有广谱选择性。
我们通过十多年的努力，利用热力学基本原理来理解农药活性分子与作用靶标之间的相互作用规律，建立了面向绿色农药分子设计的计算化学生物学技术平台。这个平台由多种分子设计新方法和相应的在线服务器构成，涵盖了靶标发现、苗头化合物产生、苗头到先导的优化，候选化合物的确定等多个环节，有5项软件著作权。下面，我简单介绍一下几个主要的在线服务器。
首先，我想介绍一下ACFIS服务器。这是一个用于开展基于碎片药物设计的在线服务器。利用这个服务器，可以针对一个分子靶标开展基于碎片的药物设计，非常方便。这个服务器的相关论文已经发表在核酸研究上，自从2016年5月正式上线以来，已经有近70多个国家的研究人员在使用这个服务器。
其次，介绍一下AIMMS服务器。这是一个用于预测因为靶标发生氨基酸突变而导致抗药性的服务器。可以预测各种类型的氨基酸突变导致的抗性，预测准确率较高。事实上，除了用于抗性预测之外，这个服务器还可以用于指导基于基因编辑的分子育种以及指导临床精准用药。
ACID在线服务器是一种基于反向一致性对接的靶标发现技术。与其他的反向对接方法不同的是，我们采用了多种不同的对接程序进行分子对接。通过一致性分析，并结合分子动力学模拟机MM-PBSA计算，是预测精度得到进一步提高。
AIHO在线服务器是一种加速取代基优化的技术，有助于快速对苗头化合物进行取代基优化，找到活性更好的先导化合物，减少不必要的合成，提高工作效率。
最后，再介绍一下我们最近开发的一个碎片数据库，PADFrag数据库。这个数据库是利用1652个商品化医药分子以及1259 个商品化农药分子进行结构切割而得到的，包含5919个碎片分子。PADFrag不仅覆盖了较广泛的化学空间，而且具有较强大的碎片分子设计功能：一是检索及分析功能，可以通过关键词或结构进行检索，并对检索结果排序，还可以对每一个活性碎片在医药和农药中出现的频率进行分析；二是预测功能，可以对数据库中的任意碎片与某种特定活性碎片（如PDBbind数据库复合物结构中小分子的某个特定碎片）进行相似性分析，从而预测碎片的潜在生物活性，为新结构药物的靶标发现及针对特定靶标设计新骨架药物先导奠定基础；三是连接功能，通过“Build”模块与某种特定碎片或药效团连接，从而产生具有良好成药性及结构新颖的虚拟化合物库，为药物发现奠定基础。
总之，我们围绕着农药分子与作用靶标的相互作用，针对农药分子的高效性、选择性和抗药性三个关键科学问题，发展了一系列的分子设计新方法，利用这些方法成功创制出了多个农药候选新品种及高活性候选化合物。部分化合物已经进行了成果转化，进入新农药登记程序，下面我对正在进行登记的几个化合物做一个介绍。
第一个化合物是氯苯醚酰胺，这是一种新型的琥珀酸脱氢酶抑制剂，对灰霉病、水稻纹枯病、大豆锈病、小麦叶枯病具有优异的防效，而且成本很低。已经获得中国发明专利和欧洲专利授权，转让北京燕化永乐生物科技公司进行新农药登记，预计2021年可以取得登记。
第二个化合物是氟苯醚酰胺，这也是一种新型的琥珀酸脱氢酶抑制剂，与氯苯醚酰胺的结构只相差了一个取代基，但两个化合物的生物活性表现出差异。氟苯醚酰胺对白粉病、大豆锈病、水稻纹枯病、小麦赤霉病等具有优异的防效。这个化合物的成本也很低，也已经获得中国发明专利和欧洲专利授权，转让深圳东阳光集团进行新农药登记，预计2021年可以取得登记。
第三个化合物是醚唑磺胺酯，这是一个具有全新作用机制的杀菌剂，结构简单，成本低，对各类霜霉病具有优异防效，具有预防和治疗活性。此外，这个化合物对一些细菌性病害也具有一定的防效。已经获得中国发明专利，目前已经进入国际专利申请，转让浙江博士达作物科技有限公司进行新农药登记，预计2022年可以取得登记。
第四个化合物是甲基喹草酮。这是一种新型的对羟基苯基丙酮酸双加氧酶抑制剂，简称HPPD抑制剂。已经转让山东先达股份进行产业化开发。杀草谱广，在1~2克/亩的剂量下，对多种阔叶杂草及禾本科杂草均表现出高效除草活性，尤其对狗尾草表现出优异防效。但遗憾的是，这个化合物对玉米的安全系数不够高。我们目前正在设法通过制剂技术来提高它的作物安全性。目前尚未启动登记程序。
第五个化合物是喹草酮。喹草酮也是HPPD抑制剂，也已经转让山东先达股份进行产业化开发，于2016年启动农药正式登记，目前各项登记试验进展顺利，预计2020年取得正式登记。喹草酮对高粱高度安全，在5~10克/亩的剂量下，对多种阔叶杂草及禾本科杂草均表现出高效除草活性，尤其对狗尾草和野糜子表现出优异防效。取得登记后，将成为全球第一个可以用于高粱地的苗后选择性除草剂。此外，喹草酮对玉米、甘蔗、小麦也安全。
从2016年启动登记至今，我们已经累计开展了1500个点的田间药效试验，均取得非常好的效果，建立了针对不同地区高粱的田间应用技术规程。
需要指出的是，喹草酮和甲基喹草酮具有喹唑啉二酮的骨架，这是喹唑啉二酮类分子首次在农药领域的应用，是由中国人自主创新的一类农药骨架。由于这类骨架具有非常好的除草性能，拜耳公司也在模仿跟踪我们的工作，并在2017年提交了一项与我们的骨架完全一样的专利申请，进一步表明这类骨架的重要价值。