Створені сполуки для захисту рослин у майбутньому

Уже багато років відомо, що різні організми виробляють захисні пептиди. Команда китайських учених у своєму огляді 2023 року, присвяченому використанню пептидів у продуктах рослинництва, зазначає, що «природні антимікробні пептиди (АМП) опосередковують вроджений захист організму і можуть бути використані як індуктори імунітету. Враховуючи їхню високу специфічність, швидку деградацію та ефективність, очікується, що АМП стануть перспективною першою лінією захисту від грибів, вірусів і бактерій».

Ця команда, очолювана доктором І-Менг Чжаном з Інноваційного центру досліджень пестицидів при Китайському сільськогосподарському університеті в Пекіні, також зазначає, що США, Китай, Німеччина, Франція, Італія, Індія та Японія є одними з провідних країн у галузі досліджень і розробок пептидних засобів захисту рослин.

Сьогодні в базі даних антимікробних пептидів, якою керує Університет Небраски, зареєстровано понад 3400 АМП. З них приблизно 29% ― рослинного походження, 16% ― тваринного (включно із ссавцями, жабами і комахами) і 5% ― мікробного.

А решта? Решта АМП ― синтетичні, це 50% від загальної кількості.

Синтетичне виробництво

Компанії по всьому світу почали серйозно розробляти синтетичні пептиди лише кілька років тому. Відтоді було створено близько 20 таких препаратів. Деякі з них проходять випробування на стабільність та ефективність, деякі вже очікують схвалення регуляторних органів, а деякі вже вийшли на світові ринки.

Наприклад, пептидний інсектицид під назвою Spear LEP походить від нейропептиду, виділеного із секрету надзвичайно отруйного австралійського воронкоподібного павука Blue Mountains funnel-web spider. Цей інсектицид доступний для використання в США та за межами для захисту горіхів, фруктів, овочів та інших спеціальних культур. Інсектицид Spear LEP отримав нагороду як «Кращий новий біологічний засіб» у 2021 році від Crop Science Forum & Awards.

Біофунгіцид широкого спектра дії для овочів і фруктів під назвою Quillibrium (Квіллібріум) переміг у тій самій номінації у 2022 році. Його продають у Чилі, Мексиці та інших країнах, а в США очікують на схвалення регуляторних органів. Речовину для виготовлення препарату компанія-виробник отримує з екзотичних дерев Quillaja saponaria, які вирощує у власних лабораторіях в Чилі та Каліфорнії (США). У природі ці рослини ростуть у Чилі, в Перу та Болівії, а також культивуються в Індії. Цікаво, що рослини Quillaja saponaria відомі як мильні дерева (квілая мильна), адже сапоніни рослини використовують як емульгатори, а також їх додають до зубних паст і лікувальних шампунів.

Problad Plus ― ще один пептидний біофунгіцид. Він контролює серйозні патогени, такі як борошниста роса та сіра пліснява, на суницях садових, винограді, томатах та кісточкових фруктах, пошкоджуючи клітинні стінки й мембрани грибів. Його активний інгредієнт ― Banda de Lupinus albus doce (BLAD) ― природний білок, що міститься в насінні певних сортів люпину. Препарат уже продається в Австралії та отримав схвалення у США.

Проблеми та рішення

На думку доктора Кайла Шнайдера, є три основні виклики для розвитку пептидних засобів захисту рослин: біодоступність (частка введеної сполуки, яка досягає системного кровотоку патогену-мішені), вартість та регуляторні перешкоди. Доктор Шнайдер є старшим науковим співробітником із розроблення пептидів у корпорації Vestaron (виробник Spear LEP та інших біопрепаратів).

Біодоступність була значним бар’єром для комерціалізації пептидних біоінсектицидів, але прогрес у цій галузі постійно зростає. Доктор Шнайдер вказує на високу біодоступність таких пептидів, як нещодавно схвалений GS-w/k-Hxtx-Hv1a. Він впливає на той самий рецептор в організмі шкідливих комах, на який націлені два основні класи синтетичних інсектицидів, і в достатній дозі може вбивати комах (у складі ЗЗР контактної дії).

Витрати на обприскування

Для забезпечення адекватного контакту з цільовими комахами потрібна певна, доволі висока концентрація пептидів у біопрепараті. Тривалий час це було проблемою, говорить доктор Шнайдер. Потреба у високих концентраціях робила пептидні біопрепарати надто дорогими для використання на більшості культур. Зараз розробляють нові рішення, які мають забезпечити належний контакт препаратів з цільовими комахами за ціною, яка буде прийнятною для сільгоспвиробників.

Наприклад, пептид GS-w/k-Hxtx-Hv1a, що згадувався вище, був успішно поєднаний з мікроорганізмом Bacillus thuringiensis, «значно зменшуючи необхідну норму внесення пептиду внаслідок проникнення в кишківник комах і збільшення доступу пептиду до мішені». Поєднання мікробів з пептидним біоінсектицидом також означає збереження профілю екологічної безпеки продукту.

І-Менг Чжан з Інноваційного центру досліджень пестицидів при Китайському сільськогосподарському університеті в Пекіні та його колеги вказують на використання різних формуляцій, таких як суспензії, мікроемульсії та капсульні суспензії, які «можуть захистити молекули пептиду від деградації під впливом факторів довкілля, таких як вода, ультрафіолет, температура та метаболічні ферменти. Це не тільки підвищує стабільність, але й покращує біодоступність пептидів».

Поєднання двох пептидів може бути дуже ефективним

Поєднання двох пептидів також може бути ефективним. Наприклад, застосування пептиду танатину, стійкого до змивання опадами, з продуктом під назвою «дермасептин 01» (‘dermaseptin 01’) забезпечує хорошу адгезію на листках сої, пригнічуючи проростання спор, що спричиняють азійську іржу сої (Asian soybean rust, Phakopsora pachyrhizi). «Крім того, пептидні препарати, змішані в різний спосіб з хімічними пестицидами, можуть мати розширений спектр активності, а також відтермінувати розвиток резистентності», ― зазначає китайська команда.

Системи доставки ліків (drug delivery systems, DDS) з «технологіями контрольованого вивільнення» також можуть бути використані для доставки пептидів. Мова про гідрогелі, кубосоми (дрібні частки) та наноносії, які мають у певний спосіб доставляти активну речовину ЗЗР до органів і тканин-мішеней шкідливих організмів.

Зниження витрат

Мірою того, як пептиди набувають популярності, загальна вартість їх виробництва неухильно знижується.

Мікаель Курбо, технічний директор компанії Micropep, що базується у Франції та США, оголосив минулого року, що їхня технологія дає змогу «виробляти мікропептиди у великих масштабах зі 100-кратним зниженням витрат у порівнянні з хімічним синтезом».

Команда з Китаю також зазначає, що синтетичні пептиди мають «високу спорідненість до мішені», що означає, що для боротьби з бур’янами, патогенами та комахами достатньо лише «дуже невеликої кількості пептиду». Чжан та його колеги додають у своїй статті, що «вартість може бути більш конкурентоспроможною, ніж наявні пестициди, завдяки низькому дозуванню, коли пептиди повністю або частково ферментуються».

Технологія стала доступнішою

Вартість виробництва пептидів за допомогою мікроорганізмів у великих біореакторах значно знизилася за останнє десятиліття. «Саме завдяки такому збільшенню виробничих потужностей і зниженню витрат ця технологія стала доступною для захисту рослин, а не лише для терапії людини, ― зазначає доктор Шнайдер. ― Тим не менш, витрати повинні бути знижені ще більше, щоб досягти рівності із синтетичними хімікатами для польових культур, таких як кукурудза, соя, пшениця, бавовна тощо. Виробництво шляхом ферментації наближає нас до паритету витрат з хімічними речовинами, але невеликий розрив усе ще існує. Цей розрив є найбільшим у вартості звичайних хімічних і пептидних ЗЗР для польових культур, де фактори виробництва мають більший фінансовий вплив. Однак, зважаючи на останні тенденції у вартості біореакторів, я вважаю, що ця різниця у витратах стане незначною протягом наступних 5‒10 років».

Регуляторне схвалення

На думку доктора Шнайдера, регуляторне схвалення є третьою основною проблемою, з якою стикаються розробники пептидних ЗЗР.

Наразі США та ЄС розробляють нові стандарти для цих класів біологічних препаратів. Щодо прогресу в США, доктор Шнайдер пояснює, що федеральний уряд створив відділ «Нові технології» в рамках відділу пестицидів, який відповідає за розроблення методик для оцінки нових технологій. «Цей відділ частково відповідав за розроблення системи регулювання пептиду Spear компанії Vestaron та біопестицидів Calantha RNAi компанії Greenlight Bio», ― каже він.

Виклики

Доктор Шнайдер передбачає, що потреба в нових методах тестування пептидних ЗЗР може створювати проблеми. «У світі поки недостатньо експертів і знань про нову технологію, тим більше їх ще недостатньо в регуляторних органах, що може призвести до затримок впровадження або й навіть до стримування інновацій», ― говорить він.

За його словами, регуляторні органи повинні бути прозорими, що дасть розробникам максимальну впевненість у тому, що вони зможуть орієнтуватися в мінливому регуляторному процесі.

І хоча розроблення пептидних продуктів пов’язане з певними труднощами (такими як біодоступність, висока ціна та потреба у схваленні регуляторними органами), ці труднощі поступово вирішують. Невдовзі на ринку з’явиться більше пептидних продуктів для захисту рослин. І дуже схоже на те, що «пептиди, ймовірно, стануть основними інструментами для захисту рослин у майбутньому», як зазначає команда з Китаю.