Проектирование, характеристика, исследования методом DFT и молекулярный докинг новых гибридов бензофуран–пиразол‑акриламида в качестве инсектицидных препаратов против Spodoptera littoralis и Tribolium castaneum

Новые средства для защиты продовольственных культур

Фермеры по всему миру ведут постоянную борьбу с насекомыми, поедающими листья в поле и зерно на складах. Двумя особенно вредоносными виновниками являются египетская хлопковая листовёртка и красный мучной хищник, которые в совокупности способны уничтожать значительную часть урожая и портить хранимую муку. В этой статье описывается разработка и испытания нового семейства синтетических молекул, нацеленных на нервную систему вредителей с целью более точечного поражения при потенциально меньших рисках для людей и окружающей среды.

Почему эти вредители представляют серьёзную проблему

Египетская хлопковая листовёртка питается десятками культур — от хлопка и помидоров до пшеницы и клубники — и может сокращать урожайность до половины. Красный мучной хищник же процветает в тёплых зернохранилищах и мельницах, превращая ценную еду в заражённую муку с неприятным запахом и возможными рисками для здоровья. Существующие инсектициды часто действуют широко, могут вредить нетаргетным организмам и теряют эффективность по мере развития устойчивости у насекомых. Существует сильный стимул найти новые химические средства с более специфическим механизмом, чтобы действовали меньшие дозы и снижались побочные эффекты.

Создание нового типа инсектицидной молекулы

Исследовательская группа синтезировала восемь родственных соединений, сочетающих три проверенных фрагмента, часто встречающихся в лекарственных препаратах: бензофурановое кольцо, пиразоловое кольцо и группу акриламида. Соединяя эти фрагменты в единую конструкцию и варьируя только одну присоединённую группу в разных вариантах, они получили небольшое «семейство» кандидатов. Затем стандартными методами химического анализа — инфракрасной и ядерно‑магнитной спектроскопией и масс‑спектрометрией — подтвердили, что каждый продукт обладает ожидаемой структурой. Параллельно они применили продвинутые расчёты, чтобы изучить, как трёхмерная форма и распределение электронов у каждого соединения изменяются при переходе ключевой части молекулы между двумя зеркальными конфигурациями, известными как формы E и Z.

Испытания новых соединений

Далее учёные измерили токсичность соединений для личинок четвёртого возраста хлопковой листовёртки и для взрослых особей красного мучного хищника. Насекомые подвергались воздействию различных доз на обработанных поверхностях, и гибель фиксировалась в течение трёх дней. Три молекулы — обозначенные 3a, 3b и 3c — выделились, вызывая высокую смертность у обоих видов, в то время как остальные оказались слабыми или неактивными. Среди них 3a проявила наибольшую эффективность против листовёртки, а 3b — против жука, обеспечив полный отстрел при наибольшей протестированной дозе в течение 72 часов. Сопоставляя небольшие химические изменения между активными и неактивными представителями серии, команда установила, что введение электронодонорных групп, таких как метил или метокси, в определённой позиции усиливало инсектицидную активность, тогда как сильные электронопритягивающие группы, например нитро или карбоксильные, в значительной степени её подавляли.

Заглядывая в нервную систему насекомых

Чтобы понять механизм действия этих соединений, авторы обратились к компьютерным моделям ацетилхолинэстеразы — ключевого фермента, который прекращает нервные сигналы, расщепляя нейромедиатор ацетилхолин. Многие классические инсектициды выводят из строя именно этот фермент. С помощью молекулярного докинга команда смоделировала, как соединения 3a, 3b и 3c ложатся в активный карман ацетилхолинэстеразы у обоих целевых видов. Все три, по прогнозам, связываются плотно через сеть гидрофобных контактов и водородных связей, с силой связывания, сопоставимой или превосходящей широко используемый эталонный инсектицид. Дальнейшие молекулярно‑динамические симуляции, отслеживающие движение атомов со временем, показали, что комплекс между соединением 3b и ферментом остаётся стабильным и компактным, что указывает на стойкий блокирующий эффект. В то же время компьютерный скрининг ADMET (абсорбция, распределение, метаболизм, выведение и токсичность) показал, что эти молекулы соответствуют распространённым правилам «подобия лекарствам» и вряд ли будут сильно мутагенными или канцерогенными, хотя их липофильность может ограничивать простые водные формуляции.

Что показывают электронные расчёты

Для выяснения, почему небольшие структурные изменения приводят к большим отличиям, использовали теорию функционала плотности (DFT) — квантово‑механический метод моделирования. Расчёты показали, что для некоторых членов серии, особенно для соединения 3c, форма E имеет очень малый энергетический разрыв между ключевыми орбиталями, удерживающими электроны, что делает её высокореактивной и сильным акцептором электронов. Другие члены, например 3b, прогнозировались с предпочтением формы Z, которая обеспечивала более выгодное выравнивание электронов и большие дипольные моменты. Эти тонкие электронные особенности влияют на способность молекулы взаимодействовать с ферментом‑мишенью или с поверхностями и помогают объяснить, почему отдельные варианты связываются прочнее, даже если на бумаге они не самые реакционноспособные. Таким образом исследование связывает форму молекулы и распределение заряда напрямую с её биологическим воздействием.

К чему может привести эта работа

В целом исследование выделяет небольшой набор гибридов бензофуран–пиразол–акриламидов, особенно соединения 3a, 3b и 3c, как перспективные лиды для новых инсектицидов против двух экономически значимых вредителей. Лабораторные тесты показывают, что они могут убивать гусениц и жуков при относительно низких концентрациях, а компьютерные модели указывают на их действие через прочную блокировку жизненно важного нервного фермента при приемлемых характеристиках безопасности. Хотя необходимо гораздо больше испытаний в реальных условиях и на нетаргетных организмах, эти результаты очерчивают рациональный путь для проектирования следующего поколения средств защиты растений, которые одновременно мощны и более точно настроены на свои цели.

Цитирование: El-Bana, G.G., Fouad, M.R., Deeb, A.D.H. et al. Design, characterization, DFT studies, and molecular docking of new benzofuran–pyrazol-acrylamide hybrids as insecticidal agents against Spodoptera littoralis and Tribolium castaneum. Sci Rep 16, 10344 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39839-z

Ключевые слова: дизайн инсектицидов, ингибиторы ацетилхолинэстеразы, борьба с вредителями сельхозкультур, гибриды бензофуран‑пиразол, компьютерная токсикология