潜力无穷的新型光控生物正交化学反应

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

生物医药被称为“永不衰落的朝阳产业”。近年来，随着经济的发展，生活环境的变化，人们健康观念的改变以及人口老龄化进程的加快，生物医药一直保持迅猛发展的势头。关于这个行业，生物技术以及化学合成占有举足轻重的地位。那么，如何实现两者有机融合，并使其服务于未来生物医药行业呢？生物正交化学或许是一个很好的解决途径。它的蓬勃发展提供给生命科学以及材料修饰等研究一些实用、有效的化学偶联或脱笼工具。近日，四川大学化学学院的余志鹏（点击查看介绍）团队通过“二芳基悉尼酮-环张力炔烃”的高效光点击反应，实现活细胞的高效生物正交标记。

近年来，随着生物医药行业迅猛发展并得到越来越多的关注，与之密切相关的生物正交化学也受到广泛研究。追求高效快速的，无毒性的，可操控的、可生物兼容以及可规模化制备的生物正交化学反应试剂已经成为一种重要趋势。其中，“光可调控性”为这类反应提供了超高的可操纵性，使得这类反应能在三维空间中实现高的时空分辨的精准偶联。目前为止，针对悉尼酮（sydnone）的研究主要是非光控的“单芳基sydnone-环张力炔烃”的环加成组合，这类反应由Taran和Friscourt等小组开展研究，其主要缺点是缺乏时空可控性，亲偶极体种类较为单一。这类非光控悉尼酮的点击反应并没有把这类神奇的介离子五元杂环芳香化合物的奥妙开发出来。

最近，四川大学余志鹏团队开发的“二芳基悉尼酮-亲偶极体”的光点击偶联试剂组合，展示了这类五元环介离子芳环化合物的独特的光化学性质；尤其是“二芳基悉尼酮-环张力炔烃BCN”的“光点击”搭配更为优越。为了减少光毒性对细胞的损伤以及更好的实现这类反应的高度时空可控性，并且抑制其背景暗反应，在通过大量微量反应筛选之后，找到了“明星分子”并测得其与可生物兼容的炔烃BCN的“光点击/非光点击”的反应的表观速率分别为“0.650 s^-1/4.20×10^-6 s^-1”(图1a)，并且在接下来的蛋白质特定残基的标记检测中可明显的观测到“光点击”反应几乎全部转化为目标产品的优势（图1b），而没有光照时几乎不反应。同时，在“明星分子”两侧延伸出可生物兼容的“生物素与荧光团”，得到双功能偶联体分子6a，其优良的光化学反应性能奠定了在活细胞应用的基础（图2）。

图1

图2

通过嵌合单抗西妥昔抗体（cetuximab）与A549细胞表面EGFR的特异性结合原理，将BCN靶点修饰在细胞表面；在405 nm可见光照射下，实现活体细胞表面蛋白质的快速标记（图3）。这类可光控的新一类点击反应，丰富了生物正交化学反应的类型，提供的细胞层面上的精确标记共计，也为未来的生物医药研究技术的发展添加了动力。

图3

这一成果近期发表在Chemical Communications上，文章的第一作者是四川大学硕士研究生张小翠。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Photo-accelerated “Click” Reaction between Diarylsydnone and Ring-strained Alkyne for Bioorthogonal Ligation”

Xiaocui Zhang, Xueting Wu, Shichao Jiang, Jingshuo Gao, Zhuojun Yao, Jiajie Deng, Linmeng Zhang and Zhipeng Yu

Chem. Commun., 2019, 55, 7187-7190, DOI: 10.1039/C9CC02882J

余志鹏博士简介

余志鹏，2015年5月–今: 四川大学化学学院教授，博士生导师。

2014年9月–2015年4月: 在美国纽约州立大学水牛城分校化学系，任职“研究助理教授”

2009年8月– 2014年8月: 美国纽约州立大学水牛城分校，任职化学生物学6255x研究助理，博士后研究助理

https://www.x-mol.com/university/faculty/26696

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：综上所述，我们的研究兴趣是研究开发新一类的“正交反应对”；通过对二芳基悉尼酮这一类特殊五元杂环的“光点击”反应的研究，我们在微量竞争反应中偶然发现其与炔烃的光反应比烯烃更快速，这为我们接下来的研究提供了方向以及强大的动力。

Q：研究过程遇到哪些挑战？

A：我们在研究过程的初步筛选中发现，在311nm光照2min条件下，几乎所有的悉尼酮与炔烃BCN的光点击反应均无明显差别，反应几乎全部转化为目标产品，不易筛选“明星分子”；因此将反应条件定位为光毒性小的长波373nm以及405nm光源。当然，由此产生的巨大数据，在我们整理和筛选时造成了一些负担。

合成双功能分子6a路线的探索，以及6a性质的研究（体外蛋白质标记）和后续的生物应用（体内蛋白质标记）等条件的探索也相应的有一些困扰。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：对可光点击的“二芳基悉尼酮-环张力炔烃”的深入研究，丰富了生物正交化学工具包，对深入研究细胞生理过程，未来的生物医药行业均具有巨大的潜力。该成果在生物科学，材料科学，蛋白质工程，合成化学等领域均有重要影响。