基于苯并呋喃和芳基硫乙酸骨架的新型HPPD抑制剂除草剂的计算机辅助设计与验证

《Chemistry & Biodiversity》：In Silico Design and Validation of a Novel HPPD-Inhibiting Herbicide Candidate Based on Benzofuran and Arylthioacetic Acid Scaffolds

本研究通过多变量图像分析（MIA-QSAR）结合分子对接和动力学模拟，筛选出14个新型4-羟基苯基丙酮酸二氧酶（HPPD）抑制剂候选化合物，其中P1因更低结合能和更稳定构象成为最优候选，其活性预测优于商业标准物mesotrione，并通过ADMET分析验证了安全性。

　　在农业和植物科学领域，4-羟基苯基丙酮酸双加氧酶（HPPD）是开发高效且安全除草剂的关键靶点。HPPD在植物中催化生成同-香豆酸，而该化合物作为质体醌和α-生育酚合成的前体，对植物的光合作用和抗氧化系统至关重要。因此，HPPD抑制剂能够通过破坏这一关键代谢途径，对植物造成严重损害，从而被广泛用作除草剂。然而，随着除草剂耐药性的增加，开发新型高效HPPD抑制剂成为研究的重点。为了应对这一挑战，本研究结合了多种计算方法，包括多变量图像分析的定量结构-活性关系（MIA-QSAR）、分子对接和分子动力学模拟，旨在设计出具有更高活性的新型候选化合物。

MIA-QSAR方法在本研究中展现出显著的优势，它不仅减少了实验和计算成本，还提供了对化合物结构与活性关系的直观解读。通过对59个来源于苯并呋喃和芳基硫乙酸衍生物的化合物进行分析，研究人员发现，R3位置的取代基对活性具有显著影响。特别是引入吸电子基团，如甲氧基（–OCH?）和氯（–Cl），可以增强化合物的生物活性。相比之下，R1位置的烷基取代则显示出不利影响，可能因空间位阻效应而降低活性。此外，R2和R4位置的取代基也被纳入考虑，以进一步优化化合物的性能。通过MIA-QSAR模型，研究人员确定了具有最佳活性的化合物，这些化合物在模型验证中表现出优异的统计参数，如高R2值和低均方根误差（RMSE）。

在分子对接分析中，研究人员使用了来自拟南芥的HPPD酶（PDB ID: 5YWG）作为靶标，并对所有候选化合物进行了模拟。结果表明，P1化合物在所有分析中表现出最高的预测活性，并且其结合能优于已知的除草剂标准化合物mesotrione。P1的结合能主要来源于强的范德华相互作用，这与其在酶活性位点的稳定结合密切相关。此外，分子对接还揭示了P1与HPPD关键残基（如His248、Phe321、His198、Glu366等）之间的相互作用，这些相互作用有助于其作为有效的竞争性抑制剂。值得注意的是，尽管某些化合物如B9在实验中表现出较高的活性，但在结合能方面不如P1。

为了进一步验证P1的稳定性，研究还进行了分子动力学模拟。模拟结果表明，P1在酶活性位点内的结合行为与mesotrione非常相似，且其结合构型在长时间模拟中表现出良好的收敛性。P1的RMSD（根均方偏差）值在20,000 ps后趋于稳定，且波动范围控制在1–3 ?之间，显示出较高的结合稳定性。此外，RMSF（根均方波动）分析表明，P1与mesotrione在关键残基的灵活性方面表现一致，而苯并呋喃结构的引入可能有助于增强其在酶活性位点的适应性。

在药理和毒理评估方面，研究通过ADMETlab服务器对P1和mesotrione进行了分析。结果显示，P1在多个参数上表现出良好的安全性，例如其较高的血浆蛋白结合能力（PPB）和较低的血脑屏障穿透率（BBB）。尽管P1在某些参数上与mesotrione略有差异，如肠吸收能力（Caco-2）和皮肤致敏性，但这些差异并未显著影响其整体安全性。此外，P1的脂溶性（log P）明显高于mesotrione，这可能有助于其在植物细胞膜中的渗透能力，从而增强其生物活性。

本研究的结果表明，P1是一种具有潜力的新型HPPD抑制剂，其结合能较低，且在分子动力学模拟中表现出良好的稳定性。与mesotrione相比，P1在预测活性和结合能力方面均具有优势，这可能意味着其在实际应用中具有更高的效率。同时，P1在ADMET分析中表现出相对较低的毒性和较高的安全性，表明其可能具有更广泛的适用性。这些发现不仅为新型除草剂的开发提供了理论依据，还展示了将MIA-QSAR、分子对接和分子动力学模拟相结合的计算方法在设计高效金属酶抑制剂方面的价值。

本研究的另一个重要成果是提出了一种合成路线，用于合成P1化合物。这一路线不仅有助于未来实验验证P1的生物活性，还为其他类似化合物的合成提供了参考。此外，通过分析不同取代基对活性的影响，研究人员进一步优化了化合物的结构设计，为后续研究提供了方向。研究还强调了计算方法在农药开发中的重要性，特别是在减少实验成本和提高筛选效率方面。这些方法的结合，使得研究人员能够在不依赖大量实验的情况下，快速识别出具有潜在价值的候选化合物。

在实际应用中，P1可能具有比mesotrione更优的性能，这不仅体现在其生物活性上，还体现在其环境友好性和安全性方面。通过调整取代基的类型和位置，研究人员可以进一步优化P1的结构，使其在实际田间条件下表现出更好的除草效果。此外，研究还指出，HPPD抑制剂的耐药性问题可能通过设计具有不同取代基的新型化合物得到缓解，从而减少对现有除草剂的依赖。

总的来说，本研究通过系统地分析苯并呋喃和芳基硫乙酸衍生物的结构-活性关系，结合分子对接和分子动力学模拟，成功识别出一种具有高活性和稳定结合能力的新型HPPD抑制剂——P1。这一化合物在预测活性、结合能和安全性方面均优于现有标准化合物mesotrione，为开发更高效、更安全的除草剂提供了新的思路。此外，研究还强调了计算方法在农药设计中的重要性，展示了其在提高筛选效率和优化分子结构方面的巨大潜力。这些成果不仅为农业领域的除草剂研发提供了重要的理论支持，也为相关领域的进一步研究奠定了基础。