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让细菌带着荧光飞:香港科技大学唐本忠院士课题组提出一种无金属参与、无预修饰的一步法生物偶联新策略

作者: Research编辑部

时间: 2019-12-27 17:33

近日,香港科技大学唐本忠院士课题组报道了一种简单的无金属参与、无预修饰的一步法生物偶联新策略,实现多级对象的功能化标记与应用,如天然高分子、合成高分子、多肽、蛋白质、活细胞快速染色、活细菌快速识别染色、无机材料修饰等,以题为 “A Simple Approach to Bioconjugation at Diverse Levels: Metal-Free Click Reactions of Activated Alkynes with Native Groups of Biotargets without Prefunctionalization”发表在Research上 (Research, 2018, 3152870, DOI: 10.1155/2018/3152870)。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

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论文地址:

https://spj.sciencemag.org/research/2018/3152870/

研究背景

在生物医学领域,探索生物分子的结构、示踪其发挥作用的内在机制与过程非常重要,但是采用什么技术手段使这些内在过程“可视化”是一项非常富有挑战的工作。目前,多数生物分子和生物材料自身没有可以用作有效观察的荧光,通常采用偶联荧光分子或者其他成像单元来实现生物靶标分子的示踪。

生物偶联反应通常要求反应效率高,不产生额外副产物或仅产生氮气或水。传统的生物偶联策略往往需要重金属催化,如铜,或需要复杂的多步前修饰处理,重金属残留造成的潜在毒性不利于后续生物应用;待修饰对象的结构复杂性限制了其预修饰;如蛋白质是生命体中重要的构筑单元,其结构和功能非常复杂,预修饰本身已存在显著的挑战。

另外,针对活细胞的全细胞成像,甚至对生命体的荧光标记始终是个难题,传统的方法采用基因手段,但操作复杂,不确定性高。总之,由于被修饰生物对象的复杂性,迫切需要发展一种广泛适用、无金属参与、不需要预修饰的简单偶联策略,用于对不同生物靶标分子甚至对生命体的直接修饰标记,具有重要的学术与转化价值。

研究进展

香港科技大学唐本忠院士团队通过活化炔与胺基、硫醇、醇的高效偶联反应,实现多级对象的生物偶联标记(图1)。并分别举例进行概念性说明,首先,基于伯胺与活化炔的生物偶联策略,可用于修饰壳聚糖或一步法简易实现PEGylation, 偶联产物具有发光特性,可用于细胞成像等(图2)。

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图1 基于活化炔的生物偶联平台可以实现多级对象的无预修饰偶联荧光标记

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图2 基于伯胺与活化炔的生物偶联策略修饰壳聚糖和简易实现PEGylation

其次,基于巯基与活化炔的高效偶联,可用于合成高分子的端基修饰 (如RAFT聚合的高分子产物),为后续合成高分子的生物应用提供了众多可能性;基于羟基与活化炔的偶联还可用于多糖改性,此过程仅需要加入催化量的有机碱,不需要添加金属催化剂(图3)。再次,在广泛验证了活化炔与胺基、巯基和醇类反应性以后,作者利用多肽和蛋白质固有的伯胺或巯基进行无金属催化的生物偶联标记,并对多肽和蛋白质的性质和功能进行初步验证(图4)。

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图3 基于巯基与活化炔的偶联用于合成高分子端基修饰 (如RAFT聚合的高分子产物), 基于羟基与活化炔的偶联也可用于多糖改性

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图4 基于多肽和蛋白质固有的伯胺、巯基进行无金属催化的生物偶联标记

最后,作者尝试将活化炔用于复杂体系的偶联标记研究。如将活化炔小分子直接用于细胞标记染色,并以不含炔的荧光小分子或炔被加成后的荧光产物进行平行试验,惊奇地发现,活化炔荧光探针可以在短短2分钟内完成全细胞染色,而对照分子不能在如此短的时间里完成染色(图5)。基于活化炔与胺基或巯基快速偶联特征,作者推测活化炔小分子首先与细胞膜表面富含的胺基和巯基的蛋白质快速反应,这些蛋白质向细胞内快速转运过程中同时带入标记的荧光探针,从而实现全细胞的快速染色。

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图5 基于活化炔的荧光探针可以快速全细胞染色,两分钟可以完成染色

随后,作者分别选取典型的革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌,进一步将上述3种荧光分子与这些细菌分别培养,发现活化炔荧光分子在2分钟内完成阳性菌快速染色,而两个对照荧光分子与两种典型的阳性菌共孵育30分钟都无法染色阳性菌;另外,包括活化炔荧光分子在内的3种荧光分子均无法在短时间内染色标记革兰氏阴性菌;综合分析,阳性菌膜表面富含大量突起的磷壁酸组分,其含有大量伯胺基元,可以快速与活化炔荧光分子反应,从而快速染色阳性菌,而阴性菌膜表面没有磷壁酸组分,且其复杂的膜结构本身就不利于小分子物理渗入(图6),预期基于活化炔的荧光探针将为细菌快速识别筛选提供重要帮助。

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图6 基于活化炔的荧光探针快速识别染色革兰氏阳性菌,两分钟可完成

未来展望

基于活化炔的高效偶联,作者还验证了微米级二氧化硅球的荧光标记,说明该偶联策略可以拓展到无机材料的表面修饰与功能应用。因此,基于活化炔的无金属参与、无预修饰的一步法生物偶联策略不仅是生物靶标分子标记的一个通用平台,还为有机材料和无机材料的修饰提供了一种通用方法,有望为生物学、化学、材料科学以及相关交叉学科研究提供技术支持,具有尤为重要的生物医学应用前景。

作者简介

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唐本忠院士现任香港科技大学讲座教授,在2009年和2013年分别当选为中国科学院(CAS)和英国皇家化学学会(RSC)院士,主要从事高分子合成方法论的探索、先进功能材料的开发等,在2001年首次提出了“聚集诱导发光(AIE)”新概念,并持续开展系统深入研究。2018年1月8日的国家科学技术奖励大会上,唐本忠院士团队的“聚集诱导发光”项目获得国家自然科学奖一等奖(http://tangbz.ust.hk/tbz.html)。

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