新加坡農場正與世界各地的其他農業設施面臨著同樣的挑戰：蟲害防治。鑒于這一挑戰，安全、有機且具有成本效益的殺蟲劑對于新加坡農場加強糧食安全并有助于實現新加坡的“30 x 30”目標至關重要，新加坡政府致力于到 2030 年在當地生產占有市場營養需求30%的有機安全農藥。

為本地需求服務

經過六個月的深入研究和創新，新加坡國立大學的 10 人跨學科團隊提出了可行的解決方案。

NUS研究團隊提出了這種名為“PRYSM”的低成本生物殺蟲劑，從而帶領團隊在 2021 年國際基因工程機器 (iGEM) 上獲得第二名，這是新加坡團隊迄今為止的最佳表現。本次一年一度的合成生物學競賽今年吸引了來自世界各地的 350 支隊伍。

新加坡國立大學團隊的動力是解決一個本地問題，新加坡國立大學生命科學四年級本科生 Chew Chin Wei在 Singrow 實習時，曾經親眼目睹了這一問題。

“由于蟲害問題，Singrow 損失了很大一部分產量，”他說， “如果我們的團隊能夠解決蟲害問題，新加坡的農場就能為‘30乘30’計劃做出貢獻。”

該團隊首先與八個當地農場進行了交談，從垂直農場到水培農場。“我們希望我們的解決方案非常通用，并能幫助各種農場，”新加坡國立大學計算生物學二年級本科生 Weng Yi Dou 解釋說。

他們發現戶外農場需要更環保、更有機的殺蟲劑，因為他們傾向于過度使用合成殺蟲劑。與此同時，有機農場對蟲害問題束手無策，因為他們不能使用合成農藥。

參與調查的學生表示說 “農場不想使用合成農藥，但當他們不使用它們時，它們的產量會大大降低”。于此同時，參與研究的學生表示，因為農民需要高產量，這會持續成為一個農業問題。由于成本高，使用有機殺蟲劑的替代方法目前也都不可持續。

前路依舊艱險

鑒于這種困境，NUS團隊對現有的生物農藥進行了廣泛的研究，研究團隊發現這些生物農藥通常使用大量的動物或植物物質。但在土地稀缺的新加坡，大量飼養這些動物或農作物是不可行的。

然而研究團隊并沒有退縮，在與當地一家生物制造初創公司交談后，他們探索了其他方法并取得了成功。研究團隊發現人類免疫蛋白，人類β防御素，可以用來殺死細菌，這意味著它也可以有效地用作生物殺蟲劑。更好的是，這些物質對人類食品來說是安全食用的。

“我們要消滅的害蟲是真菌，”參與研究的學生解釋說， “當許多人類β防御素分子進入真菌的細胞膜時，細胞膜會變得不穩定并破裂，真菌的細胞將因此被破壞。”

該團隊使用合成生物學技術對面包酵母（一種常見的基因工程生物）進行改造，以在特定條件下生產蛋白質，這種生產類似于從工程細菌中生產胰島素的方式。

價格友好且效率卓越

通常，觸發面包酵母產生某些化合物需要添加昂貴的化學品。這對于想要經濟高效的解決方案的團隊來說是不可行的。

因此，研究團隊使用光遺傳學——一種通過光控制細胞活動的方法，從而來消除對化學品的需求。研究團隊表示，當紅光照射酵母時，酵母會產生人類β防御素。

為了實施這一過程，該團隊生產了一個帶有 LED 的小型開源生物反應器來培養酵母。該生物反應器是 3D 打印的，成本不到 1,000 新元——只是市場上標準生物反應器 100,000 新元價格的一小部分。

而研究團隊的實驗是成功的。NUS團隊設法用他們的生物反應器為比賽培養了 100 毫升酵母，證明他們的概念有效。最后，該團隊用藍光純化了生物農藥，將酵母與人類 β 防御素蛋白分離。