研究基於基因密碼子擴展及新型生物正交反應「S-Click」方法改造...

 

10月5日，《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）期刊以「Hot Article」的形式發表了中國科學院生物物理研究所王江雲課題組題為S-click reaction for isotropic orientation of oxidases on electrodes to promote electron transfer at low potentials 的研究文章。文中報導了該課題組開發的基於基因密碼子擴展及新型生物正交反應「S-Click」方法改造胺基酸氧化酶，成功實現了胺基酸的快速、實時、精準的電化學檢測。

胺基酸是重要的生理生化代謝與細胞信號分子，異常胺基酸代謝導致許多嚴重疾病，因此實時胺基酸分析對醫學、診斷及生命科學具有重要意義。隨著生命科學的不斷發展，在國際期刊上關於胺基酸在細胞代謝、基礎病理方面的重要性研究日漸增多，例如色氨酸的代謝，與精神疾病，免疫疾病，以及癌細胞的免疫逃逸都具有重要關聯。此外，色氨酸，甘氨酸，精氨酸，絲氨酸的代謝與腫瘤發生發展具有重要關係，已成為重要的精準藥物靶點。目前對於胺基酸的檢測主要有光譜，液相色譜，酶聯顯色反應等，上述手段都難以對人體體液中的胺基酸實現實時、動態的分析，也正因為缺乏一種對體液中胺基酸的快捷、實時、靈敏準確分析的手段，不但限制了對不同胺基酸與人類健康關係的進一步研究，而且錯失了通過對這種重要生理代謝基礎物質的監控來早期預警健康狀況的機會。

改進酶電化學生物傳感器（EEB）的重點之一是改善酶和電極之間的電子傳遞。在EEB中使用電子介體是一種改善電子傳遞的常用方法，但使用電子介體通常會導致相對於酶的原始氧化還原電位增加的過量電位，並且氧化還原介質通常是非選擇性的，不僅促進了電極和蛋白質之間的電子轉移，也促進了各種幹擾分子的電子轉移。此外，電子介體在活體分析領域的應用也存在諸多限制。利用納米材料增強酶電極的電子轉移為第3代生物傳感器的實現做出了巨大貢獻，但酶相對於電極表面的隨機取嚮導致電子轉移效率的較大變化。該研究通過基於基因密碼子擴展的非天然胺基酸插入技術，位點特異性地將巰基苯丙氨酸（TF）插入到酶特定位點中，TF的巰基通過該研究發展的新型生物正交「S-Click」反應與連接分子（Bodipy373）的氯苯基團特異偶聯，而連接分子通過π-π stacking組裝到碳材料表面，實現不同胺基酸氧化酶在碳材料電極表面的定點偶聯（如圖2所示）。該團隊開創的定點偶聯體系（S-Click， 圖2C），相比於目前主流的基於疊氮基-炔烴基「點擊化學」的偶聯體系，具有更好的反應活性與生物相容性，更符合開發可穿戴設備的需求。基於該技術製備的色氨酸氧化酶電極展現出了更高更均勻的酶負載，同時在電化學測試中也展現出了極低催化電位的色氨酸直接生物電催化（圖3）。

利用基於基因密碼子擴展的胺基酸生物電化學傳感器，團隊進一步在血液樣品及癌細胞培養體系中對色氨酸、甘氨酸進行了精準的實時原位動態檢測（圖4）。

生物物理所研究員王江云為論文的通訊作者，副研究員夏霖為論文的第一作者。該工作得到國家自然科學基金、重點研發計劃、中科院重點部署項目以及深圳市「三名」工程的資助。(生物谷Bioon.com）