上海有機(jī)所利用可見光催化破解蛋白質(zhì)標(biāo)記選擇性瓶頸
中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所陳以昀研究員（生命過程小分子調(diào)控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）與張耀陽研究員（生物與化學(xué)交叉中心）、聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)王任小教授團(tuán)隊(duì)，在生物正交標(biāo)記技術(shù)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展出可見光驅(qū)動(dòng)的酮基自由基偶聯(lián)新策略，首次在活細(xì)胞實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的原子級(jí)精度標(biāo)記與交聯(lián)。該方法通過可見光催化高效生成穩(wěn)定的二芳基酮自由基，有效規(guī)避了傳統(tǒng)紫外激發(fā)技術(shù)因高能光照導(dǎo)致的選擇性差、副反應(yīng)多及背景干擾強(qiáng)等固有缺陷，顯著提升了標(biāo)記特異性與生物相容性。此項(xiàng)研究為解析活細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)互作與功能提供了高精度、低擾動(dòng)的新一代化學(xué)工具，相關(guān)成果發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c18652）。
創(chuàng)新機(jī)制：突破傳統(tǒng)自由基反應(yīng)局限
研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)解析了傳統(tǒng)紫外激發(fā)交聯(lián)技術(shù)的核心瓶頸：其產(chǎn)生的三線態(tài)雙自由基（高活性且難以調(diào)控的反應(yīng)中間體）易引發(fā)環(huán)加成和氫原子攫取等副反應(yīng)，導(dǎo)致非特異性交聯(lián)和生物分子損傷?；陉愐躁勒n題組在光催化溫和生成酮基自由基（Angew. Chem., Int. Ed.?2016）、蛋白質(zhì)標(biāo)記（JACS Au 2021）、脂質(zhì)標(biāo)記（Nat. Chem. 2025）及核酸標(biāo)記（Chin. J. Chem.?2025）等領(lǐng)域的系統(tǒng)性研究積累，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年攻關(guān)，成功構(gòu)建了新型可見光催化體系。該體系可在中性水溶液中高效生成穩(wěn)定的二芳基酮自由基，首次實(shí)現(xiàn)了生物正交條件下的精準(zhǔn)頻哪醇偶聯(lián)。這一創(chuàng)新策略將副反應(yīng)發(fā)生率從傳統(tǒng)方法的>20%顯著降至5%以下，從根源上提升了蛋白質(zhì)交聯(lián)的特異性與生物相容性。
圖1 可見光催化機(jī)制突破：從非特異性副反應(yīng)（左）到精準(zhǔn)自由基偶聯(lián)（右）
技術(shù)顛覆性：操作簡(jiǎn)化的高效交聯(lián)新策略
本技術(shù)以極簡(jiǎn)操作實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的蛋白質(zhì)交聯(lián)：僅需在目標(biāo)蛋白單一位點(diǎn)嵌入光交聯(lián)探針苯甲酮丙氨酸（Bpa），即可通過光催化高效觸發(fā)交聯(lián)反應(yīng)，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)多步驟、低特異性的交聯(lián)方法。在PyrI4同源二聚體及Trx/PAPS異源復(fù)合物的研究中，該策略均展現(xiàn)出高度特異性交聯(lián)，且工程化蛋白完全保持了天然結(jié)合親和力。通過高精度串聯(lián)質(zhì)譜分析，研究團(tuán)隊(duì)直接鑒定出頻哪醇型交聯(lián)鍵的形成，成功在原子尺度上解析了蛋白質(zhì)相互作用界面。這一突破不僅提供了“分子尺”級(jí)的精準(zhǔn)測(cè)量工具，更為動(dòng)態(tài)生命過程研究奠定了新一代方法學(xué)基礎(chǔ)。
圖2?技術(shù)顛覆性：頻哪醇鍵實(shí)現(xiàn)原子精度蛋白質(zhì)交聯(lián)
應(yīng)用價(jià)值：推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)研究的精準(zhǔn)化進(jìn)程
該技術(shù)的突破性價(jià)值體現(xiàn)在三個(gè)核心維度：1）特異性顯著提升，將內(nèi)源性活性氨基酸的非特異性反應(yīng)降低3–20倍；2）具備優(yōu)異的生物相容性，在原代神經(jīng)元模型中實(shí)現(xiàn)84%的細(xì)胞存活率，信噪比提升超過5倍；3）復(fù)雜生物環(huán)境適用性，通過將Bpa精準(zhǔn)整合至靶向EGFR的納米抗體7D12，并在EGFR高表達(dá)細(xì)胞模型中成功驗(yàn)證其功能。該技術(shù)為受體靶向藥物篩選與精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，展現(xiàn)出廣闊的轉(zhuǎn)化應(yīng)用前景。
圖3 應(yīng)用價(jià)值：原代神經(jīng)元及癌細(xì)胞靶向標(biāo)記技術(shù)的新突破
本研究由上海有機(jī)所博士生譚嘉威、郝柯嘉、袁藝等人共同完成，通訊作者為陳以昀研究員、張耀陽研究員與王任小教授。研究工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)及生命過程小分子調(diào)控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。
Bioorthogonal Photocatalytic Protein Labeling and Cross-Linking Enabled by Stabilized Ketyl Radicals.J. Am. Chem. Soc. 2025, doi: 10.1021/jacs.5c18652.
Jiawei Tan#; Kejia Hao#; Yi Yuan#; Shasha Xie #; Li?Qi#; Qiaoling Che#; Yan Li; Renxiao Wang*; Yaoyang Zhang*; Yiyun Chen*.
陳以昀課題組主頁：
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