農薬研究

21世紀初頭の農薬研究では、使用率が低く、選択性、安全性、耐性破壊性、費用対効果の高い分子の開発に重点が置かれてきました。障害としては、農薬耐性の増加や規制環境の厳格化などが挙げられます。^[1]

新しい分子の供給源としては、天然物、競合他社、大学、化学薬品ベンダー、コンビナトリアル化学ライブラリ、^[2]他の適応症のプロジェクトからの中間体、製薬会社や動物用医薬品会社の化合物コレクションなどが挙げられます。^[1]

農薬、種子、肥料、機械化、精密農業の改良とともに、雑草、昆虫、その他の脅威から作物を保護するための改良が強く求められています。1960年から2013年までの進歩により、スルホニルウレア 系除草剤（5）、ピペリジニルチアゾール系殺菌剤、エマメクチン系殺虫剤および殺ダニ剤の使用率が99%まで削減され、それに伴い環境も改善されました。^[1]

新分子の導入率は低下しています。新分子を市場に投入するためのコストは、1995 年の 1 億 5,200 万ドルから 2005 年には 2 億 5,600 万ドルに上昇しました。これは、1 つの新市場導入のために合成された化合物の数が 1995 年の 52,500 から 2005 年には 140,000 に増加したためです。^[1]

1997年から2010年にかけて米国環境保護庁（EPA）に登録された新規有効成分には、生物由来（B）、天然物（NP）、合成（S）、合成天然由来（SND）物質が含まれていた。従来の農薬と生物農薬を合わせると、NPが登録の大部分を占め、35.7％を占め、次いでSが30.7％、Bが27.4％、SNDが6.1％であった。^[3]

候補分子は、設計、合成、試験、分析のサイクルを通じて最適化されます。化合物は最終的に標的生物で試験されます。しかし、in vitroアッセイがより一般的になりつつあります。^[1]

農薬と医薬品は同じプロセスで作用することがある。いくつかのケースでは、相同 酵素/受容体が扱われ、両方の状況で潜在的に使用できる可能性がある。1つの例は、トリアゾール系抗真菌剤または殺菌剤である。しかし、適用場所から対象物までの途中で遭遇する化学環境では、通常、異なる物理化学的特性が求められるが、単位コストは一般にはるかに低い。^{[1]農薬は通常、}水素結合供与体の数が少ない。^[4]たとえば、殺虫剤の70%以上は水素結合供与体を持たず、除草剤の90%以上は2つ以下しか持たない。望ましい農薬は、長い散布間隔を可能にするために、最大数週間持続する残留活性と効果の持続性を持つ。農薬に含まれるヘテロ環のほとんどはヘテロ芳香族である。^[1]

構造に基づく設計は、農薬分野では比較的新しい学際的なプロセスです。2013年現在、市場にはこのアプローチから直接生まれた製品はありません。しかし、イネいもち病殺菌剤としてのシタロン脱水酵素阻害剤の開発など、発見プログラムは構造に基づく設計の恩恵を受けています。^{[1] [5]}

構造ベースの設計は、200 年から 2013 年の間に 13,600 件から 92,700 件に増加した、公開されているタンパク質構造の数が多いため、作物研究者にとって魅力的です。多くの農薬結晶が現在公開されています。いくつかの興味深いイオンチャネルの構造が現在公開されています。たとえば、イベルメクチンと複合したグルタミン酸依存性塩素チャネルの結晶構造は2011 年に報告され、新しい殺虫剤の設計の出発点となっています。この構造は、関連する γ-アミノ酪酸( GABA ) 依存性塩素チャネルの相同性モデルと、別の殺虫剤クラスであるメタジアミドの結合モードにつながりました。^[1]

フラグメントベース設計、仮想スクリーニング、ゲノム配列決定などの技術は、薬剤のリードを生成するのに役立っています。フラグメントベースの農薬設計の公開例は比較的まれですが、この方法は新しい ACC 阻害剤の生成に使用されました。in silicoフラグメントベース設計とタンパク質リガンド結晶構造を組み合わせることで、合成しやすい化合物が生まれました。すべての阻害剤に共通するのはメトキシアクリレートの「弾頭」であり、その相互作用と位置はストロビルリン系殺菌剤からよく知られています。フラグメントは弾頭にリンクされ、仮想ライブラリを形成しました。^[1]

仮想スクリーニングにより、新規スキャフォールドからのスクリーニングヒットに基づいて活性類似体を発見する可能性を高めることができます。参照リガンドのファーマコフォアは明確に定義されているため、コアスキャフォールドを一定に保ち、異なるリンカーを付加することで、酵素アントラニル酸合成酵素の潜在的な除草剤阻害剤の仮想ライブラリが生成されました。ドッキング研究から得られたスコアにより、これらの分子がランク付けされました。結果として得られた新規化合物は、従来のハイスループットスクリーニングよりもはるかに高い10.9%の一次ヒット率を示しました。3次元(3D)形状、原子タイプの類似性、または2D拡張接続フィンガープリントなどの他のツールも、データベースから目的の分子を有用な成功率で取得します。スキャフォールドホッピングも仮想スクリーニングによって効率的に達成され、2Dおよび3Dバリアントが最良の結果をもたらします。^[1]

ゲノム配列決定、遺伝子ノックアウトまたはアンチセンスノックダウン技術は、農芸化学者に潜在的な新しい生化学的標的を検証する方法を提供してきた。しかし、非病原性遺伝子などの遺伝子は生物にとって必須ではなく、多くの潜在的な標的には既知の阻害剤がない。この手順の例には、非メバロン酸の新しい除草化合物の探索があり、例えば、2-C-メチル-D-エリスリトール 4-リン酸シチジルトランスフェラーゼ (IspD、酵素委員会 (EC) 番号 2.7.7.60) の新しい阻害剤の発見があり、最良のものは温室で 3 kg/ha (2.7 lb/acre) で 140 nM の半最大阻害濃度 ( IC50 ) を示した。シロイヌナズナの X 線結晶構造のおかげで、阻害剤と共結晶化した IspD 酵素により、IC50 が 35 nM のより強力な阻害剤が設計された。ミトコンドリア セリンヒドロキシメチルトランスフェラーゼ（SHMT）阻害剤も発見されました。30万の化合物がSHMT酵素に対してテストされ、24のヒットが得られました。これらのヒットのうち、サブクラスはin vivoスクリーニングで追跡され、化合物はフィールド試験に進められました。^[1]

植物活性剤は、病原体の侵入に反応して植物の免疫系を活性化する化合物です。作物の生存に重要な役割を果たします。殺虫剤とは異なり、植物活性剤は病原体特異的ではなく、薬剤耐性の影響を受けないため、農業での使用に最適です。東アジアの水稲農家は、作物の健康を向上させる持続可能な手段として植物活性剤を使用しています。^{[6] [7]}

植物の反応の活性化は、しばしば成長の停止や収量の減少と関連しているが、その理由は不明である。植物の活性化因子を制御する分子メカニズムはほとんどわかっていない。^[6]

スクリーニングにより、独立して免疫反応を誘発する化合物と、病原体が存在する場合にのみ免疫反応を誘発する化合物を区別することができます。独立した活性剤は細胞に毒性があります。他の活性剤は病原体が存在する場合にのみ耐性を高めます。2012 年には、防御遺伝子を直接活性化することなく免疫反応を刺激することでシュードモナス菌から保護する 5 つの活性剤が発見されました。これらの化合物は、防御ホルモンであるサリチル酸(SAグルコシルトランスフェラーゼまたは SAGT) を不活性化する 2 つの酵素を阻害し、耐病性を高めます。^[6]