上海有機(jī)所在活細(xì)胞內(nèi)的光催化生物相容反應(yīng)研究取得進(jìn)展
實(shí)時(shí)調(diào)控細(xì)胞生命活動(dòng)對(duì)研究細(xì)胞的生理功能具有重要價(jià)值。由于光優(yōu)異的時(shí)空分辨率，生物相容的光引發(fā)化學(xué)工具可用于原位實(shí)時(shí)調(diào)控動(dòng)態(tài)的生命過(guò)程。傳統(tǒng)的光去籠方法通過(guò)直接光照射底物分子切斷化學(xué)鍵從而釋放生物活性分子，光去籠方法近年來(lái)的新發(fā)展希望實(shí)現(xiàn)如下重要新特質(zhì)：一、通過(guò)廉價(jià)易得的可見光光源實(shí)現(xiàn)更好的生物穿透性；二、底物具有光穩(wěn)定性從而無(wú)需當(dāng)場(chǎng)制備；三、可定位的特異性光去籠。相比于直接光照射方法，光催化氧化還原反應(yīng)使用能量較低的可見光，底物在不存在光催化劑時(shí)對(duì)光惰性因而便于貯存。但目前將光催化氧化還原反應(yīng)應(yīng)用于細(xì)胞存在以下困難：一、常用的過(guò)渡金屬光催化劑具有潛在的細(xì)胞代謝毒性，會(huì)使其應(yīng)用受到限制；二、細(xì)胞內(nèi)廣泛存在的氧氣及各種抗氧化劑會(huì)影響自由基活性物種壽命及光催化氧化還原反應(yīng)效率。
中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生命有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的陳以昀課題組致力于發(fā)展新的生物相容光化學(xué)方法用于化學(xué)及生物學(xué)的研究，主要研究?jī)?nèi)容包括新型光反應(yīng)發(fā)現(xiàn)及新型光化學(xué)生物學(xué)工具的發(fā)展。課題組前期研究工作中建立了可見光引發(fā)氧化及還原反應(yīng)的生物大分子相容性（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 2280; Chem. Comm. 2015, 51, 5275），并發(fā)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(xué)醫(yī)學(xué)院的徐天樂課題組合作，首次報(bào)道了將常用于熒光成像的有機(jī)熒光分子熒光素或羅丹明衍生物作為生物相容的光催化劑，在細(xì)胞內(nèi)利用氧氣及抗氧化劑通過(guò)光催化氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生過(guò)氧化氫，進(jìn)而進(jìn)行脫硼羥基化反應(yīng)去籠釋放生物活性分子（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201811261），文章第一作者為有機(jī)所博士研究生王浩巖。該反應(yīng)使用家用CFL或低能量藍(lán)色LED燈作為光源，在中性水溶液中可以對(duì)含有酚、羥基、氨基的生物活性分子實(shí)現(xiàn)高效的光去籠釋放。該方法可以通過(guò)光釋放異丙基-β-D-硫代半乳糖苷分子來(lái)光調(diào)控大腸桿菌中的蛋白表達(dá)，并且可以通過(guò)光釋放巴氯芬藥物分子有效調(diào)控GABAB受體功能，進(jìn)而對(duì)小鼠腦片中的神經(jīng)細(xì)胞膜電位進(jìn)行高時(shí)空分辨率的光調(diào)控。最后使用線粒體定位羅丹明衍生物染料作為具有定位效應(yīng)的光催化劑，借助于過(guò)氧化氫在細(xì)胞內(nèi)的有限自由擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了亞細(xì)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(yīng)在細(xì)胞及生命體系研究的廣闊應(yīng)用前景，并提出了有機(jī)熒光染料具有示蹤與調(diào)控生命過(guò)程的雙重功能，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究具有重要啟示。
上述研究工作得到國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、上海市重點(diǎn)項(xiàng)目、生命有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及中國(guó)科學(xué)院的資助。
圖一：活細(xì)胞內(nèi)的光催化生物相容反應(yīng)用于生物活性分子的可見光釋放
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