文 |小辛说史

编辑 |小辛说史

光致变色农药作为未来农业的潜在分子工具，在受体、离子通道、生活行为和酶的光学控制方面都是有效的，这显示了一种创新的农药发现方式。

文章综述了光异构化的杀虫剂和杀菌剂的研究进展。通过将偶氮苯和二芳烷烃等光开关整合到农药分子中，开发了几种光致变色配体，用于光学调控体内重要的昆虫或真菌靶点，包括GABARs、RyRs、nAChRs、SURs、钠通道、葡萄糖和琥珀酸脱氢酶。

该结果在揭示农用化学品与其目标、生物学功能和生活行为的相互作用方面非常重要，并为理解配体-受体的相互作用提供了强大的工具包。

此外，对各种光致变色配体的需求不断增长，特别是那些对红光和NIR光或阳光敏感的光致变色配体，用于实际田间农业。我们设想，这种特殊的农药发现模式为克服不适当的农药的使用所带来的挑战带来了巨大的希望。

介绍

有机杀虫剂起源于滴滴涕的发现，它使世界变得美妙，但却保持沉默。杀虫剂、杀菌剂、除草剂、昆虫/植物生长调节剂和杀菌剂，保障了粮食生产力，并努力减少世界各地不断增长的人口的饥饿感。

然而，农药滥用导致了环境污染、耐药性问题和非目标毒性，对化学农药的开发提出了重大挑战。农药创新的多样性促进了减少和避免因滥用和过度使用农药所造成的这些不良影响。

目前，新的分子设计和作用机制正在被发现这仍然是农药发现的主导模式和传统模式。一种新技术的出现，能够使农药性能或生物系统的精确和时空调控，这是令人兴奋的，并有望克服不良的药物选择性。

这项技术有潜力在未来的农业发展中发展成为一种分子工具。这种农药发现的模式也很有意义，因为它有助于阐明农药分子，靶标和生物学功能之间的相互作用。

外部刺激，如光、pH值、温度和微生物，可以触发或终止生物体中的生理和生化过程。更重要的是，光提供了无与伦比的无创调节、无污染、生物相容性、时空选择性和可控强度的优势，特别是在调制方面生物事件。

新兴的光药理学已经成为一种以光激活或失活的方式进行药物设计和治疗的强大工具包。光活化主要是通过光控制结构修饰分子的作用来实现的，这主要是通过引入光开关来设计的变成活性药物成分。因此，光基团和光敏基团在光药理学中具有重要意义。

光响应性配体，可以被光激活或失活，已被证实具有对蛋白质的光学控制的能力，酶感受器，离子通道，还有生物体，从而调节生理功能 。光药理学的研究通常跨越多个学科，包括但不限于化学、生物学、物理学和药理学。然而，在研究生物过程和分子设计方面显著开展光药理学工作是一个挑战。

尽管面临这些挑战，但农业光敏剂在过去几十年里取得了巨大的进步。这是将光药理学引入农业研究的一次创新和大胆的尝试。

我们都知道，光在任何地方，它是植物生长必不可少的因此，利用阳光科学地调控植物的生产性能是农业可持续发展的关键。光药理学可以利用光在时间和空间上调节光敏配体的特性和生物功能。阳光敏感剂在实际领域可能更可行，而紫外线和可见光适用于温室。

尽管如此，值得注意的是，所描述的农业应用仍处于概念验证阶段，这表明开发适用的光响应剂是一项具有挑战性的任务。

与传统的农药相比，光敏农药，如光敏剂、光控释放制剂、光热转化试剂和光致变色分子，能够对植物或昆虫的性能和其他生物功能进行时空控制，提供规避不希望的农药问题的工具包。

迄今为止，光致变色配体已被广泛开发，以实现在医学和农业中的光药理学的目标。将光开关集成到多种药理分子中是开发光致变色配体的有效策略。

这些发色团是以光依赖的方式研究生物功能的有价值的工具，提供了非侵入性的特性、高的空间和时间分辨率以及在不同分子构型下的显著性能。

一个光开关的数量，如偶氮苯和螺旋体。偶氮苯能够在反式和顺式异构体之间发生可逆的光异构化，顺式-偶氮苯能够通过自发热弛豫转化回反式。二硫烯只能在开异构体和封闭异构体之间进行光交换。

因此，这两种分子开关已成为光药理学学中流行的光致变色范式。更重要的是，分子马达的进步使该领域更加令人兴奋，为将智能分子设计引入临床应用提供了机会和农业应用。

鉴于绿色农药的重要性和对可控生物活性的需求，一些研究人员已经努力探索可以监管的农药。光敏农药可以用光激活或灭活生物事件，并已初步应用于害虫管理和活动调节。

在这篇文章中，特别描述了几种光致变色农药，它们能够对昆虫受体、离子通道、酶和生活行为进行光学调节，最终导致其活性和功能的调节。

离子通道的光学控制

钠离子通道的光学控制

离子通道是典型的膜信号蛋白，主要具有离子渗透、门控和对跨膜电压和细胞信号敏感等三大功能。电压门控钠通道经历不同的构象变化，如封闭、开放和失活状态，以调节细胞内和细胞外钠离子的浓度，从而进一步影响细胞信号传导和神经调节。

电压门控钠通道由形成孔的α亚基和非形成孔的β亚基组成。电压门控钠通道的α-亚基组织在4个同源结构域中，每个结构域由6个跨膜片段和S5和S6之间形成的一个额外的孔组成。其中，S1-S4主要参与电压传感。而电压门控钠通道的β-亚基具有多种作用，包括通道表达的修饰、门控、定位、细胞粘附和信号转导。

电压门控钠通道是心血管疾病和神经系统疾病治疗的重要靶点之一。虽然电压门控钠通道在结构、功能和分子机制方面已经得到了很好的研究。 电压门控钠通道的精确和时空调控仍然很少见，而且缺乏不同的光敏配体。

利用光切换阿米洛利对上皮钠通道进行光学控制表明，光致变色配体是分析ENaC阻断剂构效关系的有效工具，可用于功能区分。

此外，许多杀虫剂，如亚氟米酮、除虫菊酯和茚沙卡尔，通过干扰电压门控钠通道来消灭和杀死害虫。阐明电压门控钠通道在无脊椎动物中的生理作用对电压门控钠通道相关农药的发现也有重要意义。

在之前农药光药理学工作的基础上，根据构效关系分析结果，将偶氮苯合并到亚氟米酮的具体位置。对粘虫的杀虫活性，蚊幼虫和游泳活动均受ABMs调节。

有趣的是，ABM04在紫外光照射前没有杀虫活性。 而在光照下发生充分的构象转变时，ABM04对LC表现出杀幼虫活性对粘虫和蚊子幼虫的影响分别为7 μM和4.39 μM。与甲氟米酮相比，其杀虫活性损失较少。

此外，活性的显著开关差异可归因于顺式-ABM04明显较高的杀虫效果。为了可视化，我们对使用ABM04和异硫氰酸荧光酯的摆动进行了荧光成像。未经辐射的摆动器在胃盲肠和肠内有荧光活性。

但是受辐射的摆动子全身都有荧光。这些荧光差异清楚地表明，其作用模式为顺式-ABM04和甲氟 米松对蚊子幼虫的胃毒性。荧光强度增加了4.3倍，表明转录和顺式-ABM04诱导了不同程度的DUM神经元去极化。服用ABM04，在紫外线照射下，摆动几乎入睡。

蓝光照射后，摆动恢复正常与接受安慰剂治疗的组相一致的行为。ABM04可以通过光异构化实时可逆地调节这两种昆虫的行为。结果表明，顺式-ABM04更能阻断昆虫的钠通道，导致昆虫过度松弛或瘫痪，为了解钠通道和杀虫机制提供了思路。

辐照的ABM04在天数内自动失活，为避免活性成分在环境中的积累提供了新的视角。这种自失活模式可以规避农药的耐药性、非靶标毒性和其他副作用。

同样，通过偶氮醚取代和偶氮延伸的策略将偶氮苯和除虫菊酯混合。光学对照评价偶氮苯除虫菊酯良好的光稳定性，对蚜和白纹伊蚊幼虫具有中等的杀虫活性。

酶的光学控制

琥珀酸脱氢酶的光学控制

琥珀酸脱氢酶是一种高度保守的异四聚体蛋白，由黄酮蛋白、铁硫蛋白、琥珀酸脱氢酶C和琥珀酸脱氢酶D四个亚基组成。琥珀酸脱氢酶在线粒体呼吸链中，在电子中起着至关重要的作用。

高级农化伴随着细胞中整个氧化磷酸化和三羧酸循环的运输。通过催化线粒体基质中的琥珀酸生成富马酸，琥珀酸脱氢酶介导电子流入细胞色素c还原酶，从而主导下一个生物过程。

因此，琥珀酸脱氢酶的调控将直接影响线粒体内的生物事件，如三磷酸腺苷和活性氧的产生。探索琥珀酸脱氢酶在表达和活性中的调节作用在药物治疗和药物设计中具有重要意义和应用前景。

此外，琥珀酸脱氢酶靶向杀菌剂进展迅速，并被认为具有中高风险的耐药性。新兴的光药理学概念指出，琥珀酸脱氢酶调制可能在解决抗性问题方面很有前途。琥珀酸脱氢酶的传统规定在时间和空间上都缺乏准确性，表明琥珀酸脱氢酶的精确和时空控制具有挑战性。

酶的光调节可以追溯到20世纪60年代对乙酰胆碱酯酶的研究。科学家们已经开发了几种酶靶向光致变色配体，使酶功能的光学控制成为可能。由于缺乏调节琥珀酸脱氢酶的光药理配体，我们将偶氮苯引入荧光体，获得以琥珀酸脱氢酶为靶点的光致变色配体，称为APAs。

幸运的是，含偶氮的化合物APA06和APA07的杀菌活性均高于其他药物的10倍。APA07和APA06从反式到顺式的活性分别降低了8倍和37倍。我们很高兴首先利用APA07，在绿光和蓝光重复照射的情况下，实现了琥珀酸脱氢酶的实时和可逆调控 。

研究内容阐明了琥珀酸脱氢酶与配体具有可逆的非共价结合的相互作用，而不是白蛋白变性。

分子的对接研究证明，光致变色配体通过氢键和阳离子-π的相互作用作用于琥珀酸脱氢酶。荧光猝灭分析和酶分析进一步证实了反式-apa06和反式-apa07是有效的琥珀酸脱氢酶抑制剂。

到目前为止，我们利用常见的农业病原体开发了一种具有时空精度的琥珀酸脱氢酶调控程序。它是琥珀酸脱氢酶光学控制的一个强大的工具，为理解琥珀酸脱氢酶的功能和目标-配体的相互作用提供了见解。

光药理学是药物设计和药物治疗的新兴技术。科学家们设计并合成了许多用于生物功能和生物体的光学控制，这种使用光致变色配体的生物调控的光依赖方式可以在时间和空间上实现，为药物选择性差提供了很有前途的解决方案。

文章综述了由偶氮苯和二芳烯在内的分子开关驱动的与光药理学相关的农药发现进展。

首先，光致变色配体s的设计是光药理学研究的关键步骤。农业化学分子应该有一个有效的基团，如胺、羟基和芳香族核，用于安装光开关。

此外，其构效关系对于指导分子修饰得到有效的光致变色配体尤为重要。通过对合成的光致变色配体的光解化学性质、生物活性和机理研究的一系列评价，我们建立了光药理学在农药中的应用程序。

琥珀酸脱氢酶功能可以实时进行时空光学调控，为琥珀酸脱氢酶调节提供无创工具包，不仅是一种很有前途的治疗人类琥珀酸脱氢酶相关疾病的策略，也是一种新的植物疾病控制技术。

简而言之，利用光药理学工具对生物事件和活动的光学控制可以很好地阐明农药分子、靶标和生物功能的相互作用。

前景

在此，我们介绍了光药理学在农药中的应用。光致变色配体的主要目标是实现对生物功能和生活行为的精确和时空控制，光是在生物体中进行这种调节的理想能量。

目前，大多数光致变色配体主要对紫外线敏感，可导致组织损伤或穿透深度有限。我们制备了一些失去杀虫或杀菌活性的红光敏感光致变色配体。但对红色和NIR光或阳光感光开关的需求仍然是光药理学的挑战。

综上所述，笔者认为，需要在概念验证阶段进行更多的试验来验证农药光药理学在规避农药不良问题方面的有效性，这项技术在揭示难以理解的生物学功能方面很有用。扩展光药理学将为分子农业提供新的工具，并推动农药发现的创新发展。