基于底物结构的α-羟基羧酸衍生物设计：靶向二羟基酸脱水酶(DHAD)的新型广谱除草剂发现

为解决除草剂靶标单一导致的抗性问题，中国科学院研究人员通过底物启发策略，设计出含α-羟基羧酸结构的苯并恶嗪酮类衍生物，开发出环境友好的C(sp3 )-H羟基化合成方法。化合物I-6e对拟南芥发芽抑制率达100%，对6种杂草抑制效果超50%，其与DHAD的结合亲和力(Kd =1μM)强于天然底物，并通过2.19?共晶结构解析揭示独特结合机制，为靶向BCAA合成通路的除草剂开发提供新范式。

　　

随着农业集约化发展，除草剂长期使用导致杂草抗性问题日益严峻。目前70%商用除草剂靶向乙酰乳酸合成酶(AHAS)，而靶向支链氨基酸(BCAA)合成通路中二羟基酸脱水酶(DHAD)的除草剂尚未开发。DHAD作为植物、微生物中合成缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的关键酶，因其在动物中缺失而成为理想靶标。尽管天然抑制剂aspterric acid(AA)已证实DHAD的除草潜力，但其作用机制不清且活性有限。如何基于DHAD结构特征设计高效、广谱且作物安全的除草剂，成为农业化学领域的重要挑战。

为突破这一瓶颈，中国科学院的研究团队创新性地采用底物启发策略，通过分析DHAD天然底物2,3-二羟基-3-甲基丁酸结合模式，发现α-羟基羧酸片段可通过与[2Fe-2S]簇、Mg²⁺
配位及与Glu463氢键相互作用稳定结合。团队将这一关键药效团与具有广谱生物活性的苯并恶嗪酮骨架结合，设计出新型抑制剂I-6系列。研究同步开发了环境友好的合成方法——以大气氧为氧化源、碳酸铯催化实现C(sp³
)-H羟基化，收率达95%以上。通过微尺度热泳动(MST)、共晶结构解析和转录组学等多维验证，最终发现化合物I-6e在150g ai/ha剂量下对燕麦(Avena fatua)和狗尾草(Setaria viridis)防效达100%，且对水稻安全。该成果发表于《Nature Communications》，为抗性治理提供了新解决方案。

关键技术包括：1) 基于底物结合模式的分子设计；2) Cs₂
CO₃
催化的大气氧C-H羟基化反应；3) 微尺度热泳动技术测定蛋白-配体亲和力；4) 2.19?分辨率的AtDHAD-I-6e共晶结构解析；5) 拟南芥转录组分析BCAA通路扰动。

结构导向的分子设计
通过比对拟南芥(AtDHAD)与结核分枝杆菌(MtbDHAD)的DHAD结构，发现尽管[2Fe-2S]簇配位保守，但底物结合腔中Phe181、Tyr215构象差异显著。分子对接显示设计的I-6化合物可通过α-羟基羧酸与金属离子配位，苯并恶嗪酮骨架与芳香残基形成疏水作用，模拟天然底物结合模式。MST验证I-6与AtDHAD结合K_d
为2.79μM，50μg/mL浓度即可完全抑制拟南芥发芽。

绿色合成方法开发
研究发现Cs₂
CO₃
/DMF体系在室温下能以大气氧为氧化剂高效实现C-H羟基化，相比有机碱TBD(收率<70%)更具优势。实时核磁监测揭示反应通过酮-烯醇互变异构生成过氧中间体，酸催化后得到产物。单晶X射线衍射证实产物绝对构型，但外消旋化限制了对映选择性研究。

生物活性与机制验证
结构优化发现N-苄基取代的I-6g抑制活性最强，而7位氟取代的I-6e对DHAD亲和力最高(K_d
=1μM)。共晶结构(2.19?)显示I-6e的羟基与Mg²⁺
配位，羧基与Ser489氢键结合，氟原子通过水分子与Thr288间接作用。去除α-羟基的衍生物I-6n活性骤降1355倍，证实该药效团的关键作用。转录组显示I-6g处理24小时后BCAA合成通路显著富集，而外源添加BCAA可逆转生长抑制，确证靶标特异性。

广谱除草效果评估
温室试验表明I-6e在150g ai/ha剂量下对6种杂草抑制率超50%，尤其对禾本科杂草完全抑制，而对水稻鲜重抑制率仅1.9%。对比商用除草剂penoxsulam(靶向AHAS)，该系列化合物展现出全新作用机制。

该研究首次阐明α-羟基羧酸作为DHAD抑制剂核心药效团的结构基础，开发的I-6e兼具广谱活性和作物安全性。2.19?共晶结构揭示不同于天然抑制剂AA的结合模式，为规避交叉抗性提供新思路。创新的绿色合成方法突破传统C-H羟基化对贵金属催化剂的依赖，为同类分子开发奠定技术基础。未来可基于该结合口袋特征，设计针对不同物种DHAD的选择性抑制剂，在抗性治理和精准农业中具有广阔应用前景。