一種新型農(nóng)藥篩選方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于農(nóng)藥開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型農(nóng)藥篩選方法。包括如下步驟，(1)模型構(gòu)建：以待選農(nóng)藥分子的結(jié)構(gòu)式為基礎(chǔ)，建立三維分子模型；(2)預(yù)測評估：對待選農(nóng)藥分子進行效力計算打分、毒性計算打分以及環(huán)境風(fēng)險計算打分；(3)分級篩選：將上述三方面計算打分結(jié)果使用數(shù)學(xué)模型進行分析并分級，根據(jù)分級結(jié)果，最終獲得高效、低毒、環(huán)境友好的新型農(nóng)藥分子庫。
【專利說明】
一種新型農(nóng)藥篩選方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于農(nóng)藥開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型農(nóng)藥篩選方法。
【背景技術(shù)】
[0002]農(nóng)藥主要用于殺滅昆蟲、真菌和其他危害作物生長的生物，從而保障、促進植物和農(nóng)作物的成長。農(nóng)藥對于人類農(nóng)業(yè)活動、糧食生產(chǎn)以及環(huán)境保護具有不可替代的作用。隨著人們對農(nóng)藥高效性、安全性、多樣性的需求，新農(nóng)藥的開發(fā)必不可少。
[0003]傳統(tǒng)的農(nóng)藥開發(fā)采用高通量合成篩選的方法，通過合成大量的不同結(jié)構(gòu)的新型化合物，測試不同化合物的生物活性，篩選出具有特定活性的新農(nóng)藥。此種方法效率極為低下，開發(fā)投入巨大，開發(fā)周期長(數(shù)年或數(shù)十年)，具有盲目性及不可預(yù)測性。
[0004]為了減少新農(nóng)藥的開發(fā)成本，提高新農(nóng)藥開發(fā)效率，目前大多數(shù)新農(nóng)藥的開發(fā)采用靶標-先導(dǎo)化合物的篩選開發(fā)方法，通過針對特定靶標的分子結(jié)構(gòu)特點，尋找具有一定有活性的先導(dǎo)化合物。之后，根據(jù)先導(dǎo)化合物與靶標的作用特點，設(shè)計、合成、優(yōu)化、篩選具有高活性的新農(nóng)藥。此種新農(nóng)藥篩選方法與傳統(tǒng)的農(nóng)藥開發(fā)方法相比，效率提高明顯，具有一定的可控性。但是，此種新農(nóng)藥開發(fā)方法只考慮到農(nóng)藥分子與靶標之間的相互關(guān)系，而未予關(guān)注農(nóng)藥分子與非靶標的人體和環(huán)境中的生物體的相互關(guān)系，因而易造成人體毒性安全風(fēng)險和環(huán)境安全風(fēng)險。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明公開了一種新型農(nóng)藥篩選方法，農(nóng)藥包括具有確定化學(xué)結(jié)構(gòu)的殺蟲劑、除草劑、殺菌劑和植物生長調(diào)節(jié)劑。待選農(nóng)藥分子是指具有一定農(nóng)業(yè)作物保護、調(diào)控活性的，并具有明確化學(xué)結(jié)構(gòu)的分子。
[0006]本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:
[0007]—種新型農(nóng)藥篩選方法，包括如下步驟，
[0008](I)模型構(gòu)建:以待選農(nóng)藥分子的結(jié)構(gòu)式為基礎(chǔ)，建立三維分子模型；
[0009](2)預(yù)測評估:對待選農(nóng)藥分子進行效力計算打分、毒性計算打分以及環(huán)境風(fēng)險計算打分；
[0010](3)分級篩選:將上述三方面計算打分結(jié)果使用數(shù)學(xué)模型進行分析并分級，根據(jù)分級結(jié)果，最終獲得高效、低毒、環(huán)境友好的新型農(nóng)藥分子庫。
[0011]模型構(gòu)建的方法為:待選農(nóng)藥分子具有完整的X衍射三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)時，直接建立三維分子模型;待選農(nóng)藥分子沒有X衍射三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)時，則采用分子模擬軟件根據(jù)已知分子結(jié)構(gòu)信息構(gòu)建并優(yōu)化，獲得該待選農(nóng)藥分子的三維分子模型。
[0012]效力計算打分方法為:
[0013](I)使用分子模擬軟件中的分子對接模塊，對待選農(nóng)藥分子與已知農(nóng)藥活性靶標分子進行分子對接；
[0014](2)獲得對接結(jié)果，并選取其中的待選農(nóng)藥分子與已知農(nóng)藥活性靶標分子的結(jié)合常數(shù)；
[0015](3)分級:
[0016]A級，結(jié)合常數(shù)大于等于17L.mol—1;
[0017]B級，結(jié)合常數(shù)介于17L.mol—1 和15L.mol—1 之間，包括15L.mol—1;
[0018]C級，結(jié)合常數(shù)介于15L.mol—1和13L.mol—1之間；
[0019]D級，結(jié)合常數(shù)小于等于13L.mol—1。
[0020]如果有待選農(nóng)藥分子與已知農(nóng)藥活性靶標分子相互作用結(jié)合常數(shù)的實驗數(shù)值，可代替分子對接結(jié)果直接使用。
[0021]毒性計算打分方法為:
[0022](I)使用分子模擬軟件中的分子對接模塊，對待選農(nóng)藥分子與人血清白蛋白分子進行分子對接；
[0023](2)獲得對接結(jié)果，并選取其中的待選農(nóng)藥分子與人血清白蛋白分子的結(jié)合常數(shù)；
[0024](3)分級:
[0025]A級，結(jié)合常數(shù)小于等于13L.mol—1;
[0026]B級，結(jié)合常數(shù)介于13L.mol—1 和15L.mol—1 之間，包括15L.mol—1;
[0027]C級，結(jié)合常數(shù)介于15L.mol—1和17L.mol—1之間；
[0028]D級，結(jié)合常數(shù)大于等于17L.mol—1。
[0029]如果有待選農(nóng)藥分子與人血清白蛋白(HSA)分子相互作用結(jié)合常數(shù)的實驗數(shù)值，可代替分子對接結(jié)果直接使用。
[0030]本發(fā)明所述分子模擬軟件包括SybyI，Surflex，AutoDock，DOCK，3D-D0CK，Openeye，F(xiàn)RED,Molecular Operating Environment ?HEX?FlexX?Maestro,Glide，G0LD，I CM?ESCHER?MONTY,HADDOCK,Z-DOCK?FTDOCK,Molegro Virtual Docker，DiscoveryStud1，Amber,Gaussian0
[0031 ]環(huán)境風(fēng)險計算打分方法為:
[0032](I)根據(jù)待選農(nóng)藥分子的分子結(jié)構(gòu)信息，使用EPI Suite軟件對待選農(nóng)藥分子的以下11項參數(shù)進行計算:
[0033]a)蓄積勢4項:Log K?，Log Koa，Log Koc，Log BCF；
[0034]b)毒性勢3項:急性毒性，致癌毒性，致突變毒性；
[0035]c)降解勢4項:空氣降解性，水降解性，土壤降解性，沉積物降解性；
[0036](2)進行數(shù)據(jù)歸一化，并采用不等權(quán)處理，權(quán)重如下，
[0037]蓄積勢4項:Log K?權(quán)重值為0.15，Log 1(。3權(quán)重值為0.15，Log K。。權(quán)重值為0.15，Log BCF權(quán)重值為0.15;
[0038]毒性勢3項:急性毒性權(quán)重值為0.09，致癌毒性權(quán)重值為0.05,致突變毒性權(quán)重值為0.04;
[0039]降解勢4項:空氣降解性權(quán)重值為0.06，水降解性權(quán)重值為0.05，土壤降解性權(quán)重值為0.05，沉積物降解性權(quán)重值為0.06 ；
[0040](3)分級:將加權(quán)值采用歐氏距離方法分析，將待選農(nóng)藥分子的環(huán)境風(fēng)險分為四個級別:A，B，C，D，其中A級為環(huán)境風(fēng)險最小級別，A級至D級環(huán)境風(fēng)險依次增大，D級為環(huán)境風(fēng)險最大級別。
[0041]如果待選農(nóng)藥分子已有相關(guān)參數(shù)的實驗值，則可用實驗值代替計算值。
[0042]使用數(shù)學(xué)模型進行分析并分級的方法如下，
[0043](以下三個字母依次代表同一待選農(nóng)藥分子的效力計算分級、毒性計算分級和環(huán)境風(fēng)險計算分級)
[0044]—級(包括444484448):農(nóng)藥效用高并且對環(huán)境、人體友好，作為優(yōu)先開發(fā)農(nóng)藥分子，加入優(yōu)先開發(fā)農(nóng)藥分子庫；
[0045]二級(包括AAC，ACA，BAA，ABB，BAB，BBA,BBB):農(nóng)藥效用高并且對環(huán)境、人體較為友好，作為開發(fā)對象，加入開發(fā)農(nóng)藥分子庫；
[0046]三級(包括ABC，ACB，BAC，BCA，BCB ,BBC):具有一定潛在風(fēng)險分子，但也具有一定開發(fā)潛力，作為備選開發(fā)對象，加入備選開發(fā)農(nóng)藥分子庫；
[0047]四級(除上述三級以外的其他分子):在一方面或多方面具有明顯潛在風(fēng)險及危害的分子，建議不作為農(nóng)藥開發(fā)對象，不加入農(nóng)藥分子庫。
[0048]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0049]本發(fā)明的新型農(nóng)藥篩選方法可有效地提高新農(nóng)藥創(chuàng)制的效率，降低新農(nóng)藥開發(fā)成本和時長，極大地保證了新農(nóng)藥人體安全性，降低了其環(huán)境安全風(fēng)險。本方法獲得的分子庫分類清晰，目的明確，可有效指導(dǎo)新型農(nóng)藥的開發(fā)，優(yōu)化新農(nóng)藥開發(fā)的順序性。
【具體實施方式】
[0050]本發(fā)明通過下述實施例進行詳細說明，但本領(lǐng)域人員應(yīng)了解，下述實施例不是對本發(fā)明保護范圍的限制，任何在本發(fā)明基礎(chǔ)上做出的改進和變化，都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0051 ]實施例1——殺蟲劑
[0052]待選殺蟲劑分子共56個。待選殺蟲劑分子模型使用Syby I軟件構(gòu)建并使用能量最小化模塊優(yōu)化5000步。效力計算打分步驟中的結(jié)合常數(shù)采用該殺蟲劑分子與其靶標蛋白質(zhì)實驗的實驗數(shù)值，范圍在9.6X 12至8.1 X 17L.mol—1。其中A級16個，B級19個，C級10個，D級11個。毒性計算打分采用Syby I軟件中的Surf I ex_Do ck分子對接模塊進行，人血清白蛋白模型采用I3DB數(shù)據(jù)庫(protein data bank，http://www.rcsb.0rg/)中的HSA的X晶體衍射數(shù)據(jù)，編號為1H9Z的分子模型。毒性計算打分結(jié)果范圍在3.5X 12至6.4X 18L.mol—1之間，其中A級19個，B級11個，C級14個，D級12個。環(huán)境風(fēng)險計算采用EPI Suite軟件進行，計算待選殺蟲劑分子的11項數(shù)值:Log Kow,Log Koa,Log KocLog BCF，急性毒性，致癌毒性，致突變毒性，空氣降解性，水降解性，土壤降解性，沉積物降解性。數(shù)據(jù)歸一化并采用不等權(quán)處理，并通過歐氏距離方法分析。其中A級14個，B級15個，C級10個，D級17個。最終將效力計算打分、毒性計算打分和環(huán)境風(fēng)險計算打分的結(jié)果綜合分析，根據(jù)分級原則進行此56種待選殺蟲劑的分級并建立分子庫。最終獲得優(yōu)先開發(fā)農(nóng)藥分子庫(3個殺蟲劑分子)、開發(fā)農(nóng)藥分子庫(6個殺蟲劑分子)和備選開發(fā)農(nóng)藥分子庫(6個殺蟲劑分子)。開發(fā)順序為優(yōu)先開發(fā)農(nóng)藥分子庫(3個殺蟲劑分子)> 開發(fā)農(nóng)藥分子庫(6個殺蟲劑分子)> 備選開發(fā)農(nóng)藥分子庫(6個殺蟲劑分子)。通過此方法快速、高效地確定了此56個殺蟲劑分子的開發(fā)順序，并且排除了其中41個潛在具有較高人體毒性和環(huán)境風(fēng)險性的殺蟲劑分子，降低開發(fā)合成成本73%，排除73%無效開發(fā)工作。
[0053]實施例2—一除草劑
[0054]待選除草劑分子共40個。待選除草劑分子模型使用GaUssian09軟件構(gòu)建并采用PM3和HF-631G聯(lián)合方法優(yōu)化。效力計算打分步驟中的結(jié)合常數(shù)采用該除草劑分子與其靶標蛋白質(zhì)實驗的實驗數(shù)值，范圍在4.3X 13至4.1 X 18L.mol—1，其中A級10個，B級18個，C級12個，D級O個。毒性計算打分采用Syby I軟件中的Surf Iex-Dock分子對接模塊進行，人血清白蛋白模型采用I3DB數(shù)據(jù)庫(protein data bank，http://www.rcsb.0rg/)中的HSA的X晶體衍射數(shù)據(jù)，編號為1H9Z的分子模型。毒性計算打分結(jié)果范圍在7.5 X 12至3.2 X 18L.mol—1之間，其中A級10個，B級16個，C級4個，D級10個。環(huán)境風(fēng)險計算采用EPI Suite軟件進行，計算待選除草劑分子的11項數(shù)值:Log Kow,Log KmLog KocLog BCF，急性毒性，致癌毒性，致突變毒性，空氣降解性，水降解性，土壤降解性，沉積物降解性。數(shù)據(jù)歸一化并采用不等權(quán)處理，并通過歐氏距離方法分析，其中A級7個，B級12個，C級9個，D級12個。最終將效力計算打分、毒性計算打分和環(huán)境風(fēng)險計算打分的結(jié)果綜合分析，根據(jù)分級原則進行此40種待選除草劑的分級并建立分子庫。最終獲得優(yōu)先開發(fā)農(nóng)藥分子庫(2個除草劑分子)、開發(fā)農(nóng)藥分子庫(4個除草劑分子)和備選開發(fā)農(nóng)藥分子庫(3個除草劑分子)。開發(fā)順序為優(yōu)先開發(fā)農(nóng)藥分子庫(2個除草劑分子)> 開發(fā)農(nóng)藥分子庫(4個除草劑分子)> 備選開發(fā)農(nóng)藥分子庫(3個除草劑分子)。通過此方法快速、高效地確定了此40個除草劑分子的開發(fā)順序，并且排除了其中31個潛在具有較高人體毒性和環(huán)境風(fēng)險性的除草劑分子，降低開發(fā)合成成本77.5%，排除77.5%無效開發(fā)工作。
【主權(quán)項】
1.一種新型農(nóng)藥篩選方法，其特征在于，包括如下步驟， (1)模型構(gòu)建:以待選農(nóng)藥分子的結(jié)構(gòu)式為基礎(chǔ)，建立三維分子模型； (2)預(yù)測評估:對待選農(nóng)藥分子進行效力計算打分、毒性計算打分以及環(huán)境風(fēng)險計算打分； (3)分級篩選:將上述三方面計算打分結(jié)果使用數(shù)學(xué)模型進行分析并分級，根據(jù)分級結(jié)果，最終獲得高效、低毒、環(huán)境友好的新型農(nóng)藥分子庫。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的篩選方法，其特征在于，模型構(gòu)建的方法為:待選農(nóng)藥分子具有完整的X衍射三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)時，直接建立三維分子模型；待選農(nóng)藥分子沒有X衍射三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)時，則采用分子模擬軟件根據(jù)已知分子結(jié)構(gòu)信息構(gòu)建并優(yōu)化，獲得該待選農(nóng)藥分子的三維分子模型。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的篩選方法，其特征在于，效力計算打分方法為: (1)使用分子模擬軟件中的分子對接模塊，對待選農(nóng)藥分子與已知農(nóng)藥活性靶標分子進行分子對接； (2)獲得對接結(jié)果，并選取其中的待選農(nóng)藥分子與已知農(nóng)藥活性靶標分子的結(jié)合常數(shù)； (3)分級: A級，結(jié)合常數(shù)大于等于17L.moF1； B級，結(jié)合常數(shù)介于17L.mol—1和15L.mol—1之間，包括15L.mol—1; C級，結(jié)合常數(shù)介于15L.mol—1和13L.mol—1之間； D級，結(jié)合常數(shù)小于等于13L.πιοΓ1。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的篩選方法，其特征在于，毒性計算打分方法為: (1)使用分子模擬軟件中的分子對接模塊，對待選農(nóng)藥分子與人血清白蛋白分子進行分子對接； (2)獲得對接結(jié)果，并選取其中的待選農(nóng)藥分子與人血清白蛋白分子的結(jié)合常數(shù)； (3)分級: A級，結(jié)合常數(shù)小于等于13L.moF1； B級，結(jié)合常數(shù)介于13L.mol—1和15L.mol—1之間，包括15L.mol—1; C級，結(jié)合常數(shù)介于15L.mol—1和17L.mol—1之間； D級，結(jié)合常數(shù)大于等于17L.mol—1。5.根據(jù)權(quán)利要求2-4所述的篩選方法，其特征在于，所述分子模擬軟件包括Sybyl，SurfIex,AutoDock，DOCK，3D-D0CK，Openeye，F(xiàn)RED,Molecular Operating Environment，HEX，F(xiàn)lexX，Maestro，Glide，G0LD，ICM，ESCHER，M0NTY，HADD0CK，Z-D0CK，F(xiàn)TD0CK，MolegroVirtual Docker,DiscoveryStud1，Amber,Gaussian06.根據(jù)權(quán)利要求1所述的篩選方法，其特征在于，環(huán)境風(fēng)險計算打分方法為: (1)根據(jù)待選農(nóng)藥分子的分子結(jié)構(gòu)信息，使用EPISuite軟件對待選農(nóng)藥分子的以下11項參數(shù)進行計算: a)蓄積勢4項:LogKow,Log Koa,Log KocLog BCF； b)毒性勢3項:急性毒性，致癌毒性，致突變毒性； c)降解勢4項:空氣降解性，水降解性，土壤降解性，沉積物降解性； (2)進行數(shù)據(jù)歸一化，并采用不等權(quán)處理，權(quán)重如下， 蓄積勢4項:Log K?權(quán)重值為0.15，Log 1(。3權(quán)重值為0.15，Log K。。權(quán)重值為0.15，LogBCF權(quán)重值為0.15; 毒性勢3項:急性毒性權(quán)重值為0.09，致癌毒性權(quán)重值為0.05,致突變毒性權(quán)重值為0.04； 降解勢4項:空氣降解性權(quán)重值為0.06，水降解性權(quán)重值為0.05，土壤降解性權(quán)重值為0.05，沉積物降解性權(quán)重值為0.06; (3)分級:將加權(quán)值采用歐氏距離方法分析，將待選農(nóng)藥分子的環(huán)境風(fēng)險分為四個級另Ij:A，B，C，D，其中A級為環(huán)境風(fēng)險最小級別，A級至D級環(huán)境風(fēng)險依次增大，D級為環(huán)境風(fēng)險最大級別。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的篩選方法，其特征在于，使用數(shù)學(xué)模型進行分析并分級的方法如下， 一級:農(nóng)藥效用高并且對環(huán)境、人體友好，作為優(yōu)先開發(fā)農(nóng)藥分子，加入優(yōu)先開發(fā)農(nóng)藥分子庫； 二級:農(nóng)藥效用高并且對環(huán)境、人體較為友好，作為開發(fā)對象，加入開發(fā)農(nóng)藥分子庫； 三級:具有一定潛在風(fēng)險分子，但也具有一定開發(fā)潛力，作為備選開發(fā)對象，加入備選開發(fā)農(nóng)藥分子庫； 四級:在一方面或多方面具有明顯潛在風(fēng)險及危害的分子，建議不作為農(nóng)藥開發(fā)對象，不加入農(nóng)藥分子庫。
【文檔編號】G06F19/00GK105893783SQ201610390367
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】孫英, 刁劍雄, 劉航
【申請人】中國農(nóng)業(yè)大學(xué)