上海有機所在活細胞內的光催化生物相容反應研究中取得進展

2020-12-05 中國科學院

上海有機所在活細胞內的光催化生物相容反應研究中取得進展

2019-01-03 上海有機化學研究所

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　　實時調控細胞生命活動對研究細胞的生理功能具有重要價值。由於光優異的時空解析度，生物相容的光引發化學工具可用於原位實時調控動態的生命過程。傳統的光去籠方法通過直接光照射底物分子切斷化學鍵從而釋放生物活性分子，光去籠方法近年來的新發展希望實現如下重要新特質：一、通過廉價易得的可見光光源實現更好的生物穿透性；二、底物具有光穩定性從而無需當場製備；三、可定位的特異性光去籠。相比於直接光照射方法，光催化氧化還原反應使用能量較低的可見光，底物在不存在光催化劑時對光惰性因而便於貯存。但目前將光催化氧化還原反應應用於細胞存在以下困難：一、常用的過渡金屬光催化劑具有潛在的細胞代謝毒性，會使其應用受到限制；二、細胞內廣泛存在的氧氣及各種抗氧化劑會影響自由基活性物種壽命及光催化氧化還原反應效率。

　　中國科學院上海有機化學研究所生命有機化學國家重點實驗室陳以昀課題組致力於發展新的生物相容光化學方法用於化學及生物學的研究，主要研究內容包括新型光反應發現及新型光化學生物學工具的發展。課題組前期研究工作中建立了可見光引發氧化及還原反應的生物大分子相容性（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 2280; Chem. Comm. 2015, 51, 5275），並發展了水相條件下生物活性小分子的可見光釋放方法（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 1881; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7872）。近日與上海交通大學醫學院徐天樂課題組合作，首次報導了將常用於螢光成像的有機螢光分子螢光素或羅丹明衍生物作為生物相容的光催化劑，在細胞內利用氧氣及抗氧化劑通過光催化氧化還原反應產生過氧化氫，進而進行脫硼羥基化反應去籠釋放生物活性分子（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201811261），文章第一作者為上海有機所博士研究生王浩巖。該反應使用家用CFL或低能量藍色LED燈作為光源，在中性水溶液中可以對含有酚、羥基、氨基的生物活性分子實現高效的光去籠釋放。該方法可以通過光釋放異丙基-β-D-硫代半乳糖苷分子來光調控大腸桿菌中的蛋白表達，並且可以通過光釋放巴氯芬藥物分子有效調控GABAB受體功能，進而對小鼠腦片中的神經細胞膜電位進行高時空解析度的光調控。最後使用線粒體定位羅丹明衍生物染料作為具有定位效應的光催化劑，藉助於過氧化氫在細胞內的有限自由擴散，實現了亞細胞定位的選擇性小分子可見光去籠。該研究展示了光催化氧化還原反應在細胞及生命體系研究中的廣闊應用前景，並提出了有機螢光染料具有示蹤與調控生命過程的雙重功能，對相關領域的研究具有重要啟示。

　　上述研究工作得到國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金委、中科院戰略性先導科技專項（B類）、上海市重點項目、生命有機化學國家重點實驗室及中科院的資助。

 

圖：活細胞內的光催化生物相容反應用於生物活性分子的可見光釋放

　　實時調控細胞生命活動對研究細胞的生理功能具有重要價值。由於光優異的時空解析度，生物相容的光引發化學工具可用於原位實時調控動態的生命過程。傳統的光去籠方法通過直接光照射底物分子切斷化學鍵從而釋放生物活性分子，光去籠方法近年來的新發展希望實現如下重要新特質：一、通過廉價易得的可見光光源實現更好的生物穿透性；二、底物具有光穩定性從而無需當場製備；三、可定位的特異性光去籠。相比於直接光照射方法，光催化氧化還原反應使用能量較低的可見光，底物在不存在光催化劑時對光惰性因而便於貯存。但目前將光催化氧化還原反應應用於細胞存在以下困難：一、常用的過渡金屬光催化劑具有潛在的細胞代謝毒性，會使其應用受到限制；二、細胞內廣泛存在的氧氣及各種抗氧化劑會影響自由基活性物種壽命及光催化氧化還原反應效率。
　　中國科學院上海有機化學研究所生命有機化學國家重點實驗室陳以昀課題組致力於發展新的生物相容光化學方法用於化學及生物學的研究，主要研究內容包括新型光反應發現及新型光化學生物學工具的發展。課題組前期研究工作中建立了可見光引發氧化及還原反應的生物大分子相容性（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 2280; Chem. Comm. 2015, 51, 5275），並發展了水相條件下生物活性小分子的可見光釋放方法（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 1881; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7872）。近日與上海交通大學醫學院徐天樂課題組合作，首次報導了將常用於螢光成像的有機螢光分子螢光素或羅丹明衍生物作為生物相容的光催化劑，在細胞內利用氧氣及抗氧化劑通過光催化氧化還原反應產生過氧化氫，進而進行脫硼羥基化反應去籠釋放生物活性分子（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201811261），文章第一作者為上海有機所博士研究生王浩巖。該反應使用家用CFL或低能量藍色LED燈作為光源，在中性水溶液中可以對含有酚、羥基、氨基的生物活性分子實現高效的光去籠釋放。該方法可以通過光釋放異丙基-β-D-硫代半乳糖苷分子來光調控大腸桿菌中的蛋白表達，並且可以通過光釋放巴氯芬藥物分子有效調控GABAB受體功能，進而對小鼠腦片中的神經細胞膜電位進行高時空解析度的光調控。最後使用線粒體定位羅丹明衍生物染料作為具有定位效應的光催化劑，藉助於過氧化氫在細胞內的有限自由擴散，實現了亞細胞定位的選擇性小分子可見光去籠。該研究展示了光催化氧化還原反應在細胞及生命體系研究中的廣闊應用前景，並提出了有機螢光染料具有示蹤與調控生命過程的雙重功能，對相關領域的研究具有重要啟示。
　　上述研究工作得到國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金委、中科院戰略性先導科技專項（B類）、上海市重點項目、生命有機化學國家重點實驗室及中科院的資助。
 
圖：活細胞內的光催化生物相容反應用於生物活性分子的可見光釋放

列印 責任編輯：葉瑞優

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