植物病毒嚴(yán)重影響農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，如玉米褪綠斑駁病毒、小麥線條花葉病毒、馬鈴薯Y病毒等，每年在全球造成的經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)600億美元，嚴(yán)重威脅糧食安全。

植物病毒的傳播途徑、范圍非常廣泛。可以在植物細(xì)胞內(nèi)寄生，也可以在自然界中通過(guò)昆蟲(chóng)、花粉或種子傳播；有些植物病毒可進(jìn)入昆蟲(chóng)腔腸，使其終生具備散播病毒的能力。目前的植物病毒的防控主要依賴化學(xué)農(nóng)藥，與其他病原體（如害蟲(chóng)、真菌）導(dǎo)致的植物病害不同，病毒的侵害特性使得傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥的靶向性和有效性下降，通常需要反復(fù)多次施藥才能起到控制效果；另一方面，病毒的變異又迫使更大劑量化學(xué)農(nóng)藥的使用，危害生態(tài)和食品安全。因此，發(fā)展高效、靶向的新型抗病毒農(nóng)藥迫在眉睫。

當(dāng)前，納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已成為國(guó)際研究的新熱點(diǎn)。表明了一種手性納米粒子（3 nm Cu1.96S）可快速通過(guò)葉片氣孔進(jìn)入植物細(xì)胞，精準(zhǔn)識(shí)別煙草花葉病毒外殼蛋白亞基，高效殺滅煙草花葉病毒，阻斷煙草花葉病毒對(duì)農(nóng)作物的侵染。

目前市面上所宣稱的“納米”農(nóng)藥意為藥劑分子的“劑型尺度”，其作用機(jī)理與化學(xué)農(nóng)藥無(wú)異。與此不同，該研究的手性納米粒子以特異性破壞病毒外殼蛋白的方式殺滅病毒，且不產(chǎn)生抗藥性、無(wú)殘留，是一種綠色的新型農(nóng)藥。

該研究來(lái)自江南大學(xué)胥傳來(lái)、匡華教授團(tuán)隊(duì)與美國(guó)密歇根大學(xué)、巴西圣卡洛斯聯(lián)邦大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所的合作。

手性納米粒子在生命體系中具有生物效應(yīng)

手性分子示例

手性，是一個(gè)立體概念，指物體的鏡像不能與本身完全重合的特性，就如同左手和右手互為鏡像而無(wú)法疊合。2001年，3位利用手性催化劑生產(chǎn)手性藥物的科學(xué)家被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。如今，手性合成已成為21世紀(jì)的重要研究領(lǐng)域，廣泛用于生命科學(xué)。

在發(fā)展抗植物病毒的手性農(nóng)藥之前，胥傳來(lái)研究團(tuán)隊(duì)一直主要針對(duì)人類病毒性感染進(jìn)行納米生物材料開(kāi)發(fā)，同時(shí)開(kāi)展基于抗體標(biāo)記的免疫分析方法開(kāi)發(fā)，在可視化的分析過(guò)程中進(jìn)行抗體標(biāo)記，該團(tuán)隊(duì)率先發(fā)現(xiàn)了手性等離子體材料的卓越檢測(cè)性能，研發(fā)了一系列免疫快速檢測(cè)試紙條、試劑盒、親和層析柱、免疫磁珠等廣泛應(yīng)用于食品、農(nóng)產(chǎn)品、環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)因子的日常監(jiān)測(cè)。

考慮到生物大分子的納米尺度特性以及識(shí)別中的立體選擇性，團(tuán)隊(duì)繼而開(kāi)展與生物分子結(jié)構(gòu)域匹配的手性納米顆粒研制，來(lái)調(diào)控生命過(guò)程。研究團(tuán)隊(duì)在2018年發(fā)展了可媲美限制性內(nèi)切酶的CdTe手性材料，2021年研制了特異性殺滅乙肝病毒的手性硫化銅納米材料。

“前期的工作已經(jīng)證明，無(wú)機(jī)手性納米材料的結(jié)構(gòu)可以像天然的蛋白酶，精確識(shí)別生物分子特定位點(diǎn)；還可在光的作用下降解Aβ淀粉樣蛋白，緩解阿爾茲海默癥?！瘪銈鱽?lái)介紹，手性納米藥物的臨床應(yīng)用非常漫長(zhǎng)，“所以我們希望同時(shí)將手性納米技術(shù)推向另一個(gè)領(lǐng)域——可持續(xù)農(nóng)業(yè)?！辈捎弥参锷L(zhǎng)本身所需的無(wú)機(jī)鹽為原料，發(fā)展靶向納米農(nóng)藥，對(duì)環(huán)境和作物友好，可能為農(nóng)藥的研發(fā)帶來(lái)變革性思路。

煙草花葉病毒（TMV）是第一個(gè)被人類發(fā)現(xiàn)的植物病毒，極易傳播、性能穩(wěn)定，侵染多種重要經(jīng)濟(jì)作物，能在多種植物上越冬，嚴(yán)重影響農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，該團(tuán)隊(duì)以TMV為對(duì)象，開(kāi)展手性納米材料合成。

煙草花葉病毒衣殼蛋白與3 nm Cu1.96S合成途徑

TMV外殼是由2130個(gè)蛋白亞基形成的螺旋管狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)管直徑約4nm，遺傳物質(zhì)單鏈RNA在其中。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和尺度，我們對(duì)先前的硫化銅納米顆粒進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，使之變小，同時(shí)也進(jìn)行了‘手性’的設(shè)計(jì)。3納米的硫化銅納米顆?？梢暂^好地進(jìn)入TMV病毒的內(nèi)孔，通過(guò)與蛋白亞基特定位點(diǎn)親和，穩(wěn)定地結(jié)合在孔內(nèi)。右手性納米顆粒與TMV蛋白亞基的結(jié)合力更強(qiáng)，是左手性顆粒的20倍。

高效特異結(jié)合病毒或生物大分子,農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品應(yīng)用廣泛

化學(xué)類農(nóng)藥的靶點(diǎn)通常為病原體的某些生物靶點(diǎn)，這些靶點(diǎn)往往存在于一些執(zhí)行重要生理功能（如神經(jīng)傳導(dǎo)）和信號(hào)通路上。在農(nóng)藥的選擇壓力下，病原體通過(guò)變異“躲過(guò)”這些靶點(diǎn)所受到的“死亡威脅”，農(nóng)藥便失效。手性納米粒子殺滅病毒的獨(dú)特機(jī)制，不會(huì)誘導(dǎo)病原體抗性，具有更好的生物安全性。

在該工作中，以D-青霉胺為表面配體，手性3nm Cu1.96S納米粒子特異性識(shí)別病毒蛋白衣殼中的 Q99ANPTTA105 位點(diǎn)，手性納米粒子的 位點(diǎn)選擇性，使這種“量身定制”的納米粒子與TMV的特異性結(jié)合力達(dá)到了107 L/M，能夠在陽(yáng)光照射下高效地特異性殺滅TMV病毒（與其他病毒衣殼的親和力則要低3000倍～1萬(wàn)倍）。在太陽(yáng)光的輔助下，衣殼蛋白第101位的天冬酰胺（Asp,Q）和第102位的脯氨酸（Pro, P）之間的肽鍵斷裂，導(dǎo)致病毒衣殼裂解，相當(dāng)于破壞病毒的物理屏障，令孔內(nèi)的核酸暴露、進(jìn)而降解；這種殺滅作用并非針對(duì)病毒生理代謝途徑，因此不誘導(dǎo)病毒變異，也不會(huì)給任何變異病毒逃逸機(jī)會(huì)。

納米粒子與衣殼蛋白作用位點(diǎn)

進(jìn)一步研究證實(shí)，用該粒子水溶液（1μM，5mL/株）噴灑受TMV侵染的作物，3天內(nèi)超過(guò)95%的病毒即可被清除，效率顯著高于目前所有抗植物病毒的化學(xué)農(nóng)藥。它通過(guò)植物葉面氣孔，進(jìn)入植物細(xì)胞發(fā)揮殺病毒作用，在此過(guò)程中一價(jià)銅氧化為二價(jià)銅離子，被植物快速吸收，利用率高。施藥所用銅元素濃度遠(yuǎn)小于土壤和植物本身存在的基礎(chǔ)銅含量，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)監(jiān)測(cè)作物的根、莖、葉以及土壤等，進(jìn)一步驗(yàn)證施藥對(duì)作物或土壤中的銅含量無(wú)改變。該手性納米農(nóng)藥有望作為一種綠色、安全的新型農(nóng)藥，為手性納米材料的應(yīng)用找到新方向。

“接下來(lái)，我們計(jì)劃將之推廣應(yīng)用。”對(duì)此，胥傳來(lái)表示對(duì)此需要進(jìn)行更大規(guī)模的田間試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)配藥劑量、施藥間隔等問(wèn)題。盡管實(shí)驗(yàn)條件下其效率遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)農(nóng)藥，但實(shí)際中還要考慮目標(biāo)農(nóng)田周圍的TMV發(fā)生情況，以此決定有效保護(hù)作物的藥物濃度；以及觀測(cè)其對(duì)于不同茄科植物、不同生長(zhǎng)期植物的作用效果。 對(duì)于其他植物病毒，受生物安全的限制，該團(tuán)隊(duì)尚未進(jìn)行廣泛研究，“植物病毒的實(shí)驗(yàn)涉及生物安全問(wèn)題，必須和國(guó)家農(nóng)科院等有資質(zhì)的院所合作。”

手性納米材料靶向殺滅TMV的工作，打開(kāi)了新的視野?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，所有生命體系的相互作用都取決于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和空間構(gòu)象，我們發(fā)展與之構(gòu)象、尺度相匹配的納米材料，為我們未來(lái)開(kāi)展更復(fù)雜層面上的生命調(diào)控提供了基本策略?！绷硗?，對(duì)于應(yīng)用層面，胥傳來(lái)認(rèn)為一定要考慮納米顆粒的生命周期——如何發(fā)揮作用、又如何排出動(dòng)植物體、是否影響生態(tài)安全。

根據(jù)人體腸道上皮細(xì)胞與腸道微生物的表面受體，該團(tuán)隊(duì)以微量元素為材料，開(kāi)展特異性親和力的手性納米粒子設(shè)計(jì)，有望調(diào)控腸道穩(wěn)態(tài)、進(jìn)而改善機(jī)體健康與免疫力。