陈以昀在活细胞内的光催化生物相容反应研究中取得进展

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实时调控细胞生命活动对研究细胞的生理功能具有重要价值。由于光优异的时空分辨率，生物相容的光引发化学工具可用于原位实时调控动态的生命过程。传统的光去笼方法通过直接光照射底物分子切断化学键从而释放生物活性分子，光去笼方法近年来的新发展希望实现如下重要新特质：一、通过廉价易得的可见光光源实现更好的生物穿透性；二、底物具有光稳定性从而无需当场制备；三、可定位的特异性光去笼。相比于直接光照射方法，光催化氧化还原反应使用能量较低的可见光，底物在不存在光催化剂时对光惰性因而便于贮存。但目前将光催化氧化还原反应应用于细胞存在以下困难：一、常用的过渡金属光催化剂具有潜在的细胞代谢毒性，会使其应用受到限制；二、细胞内广泛存在的氧气及各种抗氧化剂会影响自由基活性物种寿命及光催化氧化还原反应效率。

　　中国科学院上海有机化学研究所生命有机化学国家重点实验室陈以昀课题组致力于发展新的生物相容光化学方法用于化学及生物学的研究，主要研究内容包括新型光反应发现及新型光化学生物学工具的发展。课题组前期研究工作中建立了可见光引发氧化及还原反应的生物大分子相容性（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 2280; Chem. Comm. 2015, 51, 5275），并发展了水相条件下生物活性小分子的可见光释放方法（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 1881; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7872）。近日与上海交通大学医学院徐天乐课题组合作，首次报道了将常用于荧光成像的有机荧光分子荧光素或罗丹明衍生物作为生物相容的光催化剂，在细胞内利用氧气及抗氧化剂通过光催化氧化还原反应产生过氧化氢，进而进行脱硼羟基化反应去笼释放生物活性分子（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201811261），文章第一作者为上海有机所博士研究生王浩岩。该反应使用家用CFL或低能量蓝色LED灯作为光源，在中性水溶液中可以对含有酚、羟基、氨基的生物活性分子实现高效的光去笼释放。该方法可以通过光释放异丙基-β-D-硫代半乳糖苷分子来光调控大肠杆菌中的蛋白表达，并且可以通过光释放巴氯芬药物分子有效调控GABAB受体功能，进而对小鼠脑片中的神经细胞膜电位进行高时空分辨率的光调控。最后使用线粒体定位罗丹明衍生物染料作为具有定位效应的光催化剂，借助于过氧化氢在细胞内的有限自由扩散，实现了亚细胞定位的选择性小分子可见光去笼。该研究展示了光催化氧化还原反应在细胞及生命体系研究中的广阔应用前景，并提出了有机荧光染料具有示踪与调控生命过程的双重功能，对相关领域的研究具有重要启示。

　　上述研究工作得到国家重大科学研究计划、国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项（B类）、上海市重点项目、生命有机化学国家重点实验室及中科院的资助。

图：活细胞内的光催化生物相容反应用于生物活性分子的可见光释放