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线粒体定位型高选择性ATP荧光探针的构建

注:文末有本文作者科研思路分析


ATP(三磷酸腺苷)是生物体内不可缺少的生物大分子,在细胞呼吸、酶催化、能量和信号传递过程中起到关键的作用。线粒体是产生ATP的主要场所,ATP的含量变化必然会对线粒体的功能产生不可逆的影响。科学研究表明,线粒体的功能紊乱与心血管疾病、恶性肿瘤以及帕金森氏症等疾病密切相关。因此,发展一种可靠并能实时监控线粒体中ATP含量变化的荧光探针,对研究与线粒体受损的有关疾病的发病机制有着重要的意义。


随着ATP研究的深入,人们已经构建了许多检测ATP的荧光探针。毫无疑问,这些荧光探针为ATP的检测做出了重大的贡献。然而,这些荧光探针仍然存在两方面的问题亟待解决。一方面,几乎所有的荧光探针都难以定位线粒体,因而这些荧光探针只能用于检测细胞中ATP含量的变化,而无法检测线粒体中ATP含量的变化。另一方面,大多数荧光探针(如锌络合物荧光探针)只有一个识别位点且只能对生物阴离子的磷酸基团进行识别,所以这些荧光探针对ATP的识别具有较差的选择性。

图1. A. 荧光探针Mito-Rh荧光光谱图;B. 荧光探针Mito-Rh选择性图;C. 荧光探针Mito-Rh与ATP的反应机理图;D. 用荧光探针Mito-Rh和线粒体追踪绿染料染色的Hela细胞的共区域化荧光成像图:(a) 荧光探针Mito-Rh(红色通道);(b) 线粒体追踪绿染料(绿色通道);(c) a和b的叠加图;(d) 明场图;(e) 荧光探针Mito-Rh和线粒体追踪绿染料的荧光强度散点图;(f) 感兴区域的荧光强度曲线图;E. 实时监测线粒体中ATP变化的Hela细胞荧光成像图:(a) 0 min, (b) 5 min, (c) 10 min, (d) 15 min, (e) 荧光相对强度图


近日,湘潭大学化学学院李春艳副教授(点击查看介绍)课题组报道了高选择性的可实时监测线粒体中ATP含量的变化的荧光探针。他们利用罗丹明、二乙烯三胺和三苯基膦分别作为该荧光探针的荧光基团、识别基团和定位基团。该荧光探针能与ATP发生双识别共同作用(π-π堆积和氢键作用),使得该探针对ATP具有特异性检测识别功能。此外,该荧光探针可以精确地定位于线粒体中,并实现实时监控线粒体中ATP含量的变化。最后,通过改变探针的定位基团,这种高选择性的荧光探针有望应用于监测溶酶体、细胞膜等部位中ATP含量的变化。这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上,文章的第一作者是湘潭大学硕士研究生谭凯月


该论文作者为:Kai-Yue Tan, Chun-Yan Li, Yong-Fei Li, Junjie Fei, Bin Yang, Ya-Jun Fu and Fang Li

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Real-Time Monitoring ATP in Mitochondrion of Living Cells: A Specific Fluorescent Probe for ATP by Dual Recognition Sites

Anal. Chem., 2017, 89, 1749−1756, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b04020


导师介绍

李春艳

http://www.x-mol.com/university/faculty/41623


科研思路分析


Q:这项研究的设计思路是怎样的?

A:首先,我们选择ATP作为研究对象是由于ATP作为生物体内不可或缺的生物大分子, 其含量的变化必然会对线粒体的功能产生不可逆的影响。因此实现监测线粒体中ATP含量变化的重要性不言而喻。然而,目前能高选择性地在线粒体中检测ATP含量变化的荧光探针尚无报道。因此,我们开展了相关课题的研究。我们探针的设计思路很简单,即使用罗丹明作为荧光母体,以二乙烯三胺为识别基团,以三苯基膦为定位基团实现对ATP的检测。值得一提的是,由于该荧光探针具有双识别位点且荧光背景低,实现了对ATP高选择性、高灵敏度的检测。


Q:研究过程中遇到的最大挑战在哪里?

A:最大的挑战是该研究属于交叉学科的研究,其中需要不少生物和医学方面的背景知识,而我们的团队主要来源于化学专业,因此在生物和医学方面存在知识储备不足的挑战,未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。


其次,罗丹明虽然存在诸多优点,但是缺点也不可忽略。例如,罗丹明的发射波长短(可见光区)、不利于生物组织或活体成像。我们将继续构建近红外区的ATP荧光探针,希望能拓宽其在生物体系中的应用。


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