螢光探針-羅丹明 I 環境敏感型探針用於生物成像

2021-01-21 化學之光

羅丹明類染料：羅丹明類染料由於具有遠的吸收和發射波長，高的量子產率，大的消光係數等優異的光譜性質被廣泛地應用於螢光傳感材料。其通常具有非螢光的螺環狀態和具有螢光的兩性離子狀態兩種可逆轉換的形式。與兩性離子的形式相比，螺環形式的羅丹明染料具有較好的細胞滲透性和疏水性，因此，製備具有穩定螺環化形式的羅丹明染料一直是研究學者關注的熱點。

研究進展：許多羅丹明探針與其生物靶結合後會導致染料從非螢光型螺環形式轉變為螢光型兩性離子形式。然而，在大多數情況下，由於缺乏結構信息，對理解蛋白質影響羅丹明染料的結構平衡之間的關係依然存在阻礙。最近研究表明蛋白質影響羅丹明染料結構的平衡取決於蛋白質本身的構象，這一特徵可用於設計新型的蛋白質生物傳感器。

解決方案：在本文中，作者設計、合成了一種螺環形式穩定的羅丹明螢光探針：如圖1，通過將醯胺等缺電子基團取代傳統羅丹明染料的羧基得到探針2,3,4。光物理性質研究表明缺電子結構的引入能促進羅丹明的可逆螺環化作用，使其呈現為綠色螢光的閉環狀態。隨後，為了進一步考察螺環化羅丹明探針的環境敏感性，向螺環形式的羅丹明探針溶液中添加表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS），結果表明：在SDS存在下，羅丹明的結構平衡從綠色螢光的螺環形式向紅色螢光的兩性離子形式移動。

圖1：具有缺電子結構的羅丹明螢光探針2,3,4

為了探討該探針對蛋白質環境的敏感性，作者將用烷基修飾後的探針6-8置於含有自標記蛋白質標籤的HaloTag7環境下，實驗結果表明：如下表所示，探針的吸光度和螢光信號從綠色大幅向紅色移動，表示探針從螺環形式到兩性離子形式的轉換，表明其對蛋白質環境具有響應性。由於鈣離子會與HaloTag7作用產生嵌合體，因此，作者將鈣離子加入到含有HaloTag7和探針的溶液中，實驗表明鈣離子的加入會使羅丹明的結構平衡向螺環形式移動。並且在該實驗中，作者驗證了鈣離子的加入會改變HaloTag7的構象，進而影響了探針與蛋白質結合的能力，從而改變了探針的結構平衡。此外，對於SNAP-tag、細菌二氫葉酸還原酶和碳酸酐酶等蛋白質環境，此類探針依然具有很好的響應性，說明該類羅丹明螢光探針具有廣闊的生物應用前景。

圖2：烷基化修飾的HaloTag7響應型羅丹明探針6,7,8

表1：烷基化修飾的HaloTag7響應型羅丹明探針6,7,8對蛋白質環境響應光譜變化

   【點評與拓展】：本文介紹了一種螺環狀態下穩定的羅丹明探針，通過對其綠色螢光的螺環形式和紅色螢光的兩性離子之間的比率成像可以實現對蛋白質環境靈敏性傳感，同時為蛋白質的構象影響染料結構平衡提供了有力的證據。

參考文獻：Kai Johnsson, et al. Environmentally Sensitive Color-Shifting Fluorophores for Bioimaging. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, doi.org/10.1002/anie.202008357



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