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自由能差指导超分辨成像自闪荧光染料的高效开发

单分子定位超分辨荧光成像技术突破了光学衍射的极限,将空间分辨率提高到1-20 nm。这一技术正在极大的加速生命与材料科学的发展。单分子定位超分辨依据衍射受限空间内相邻荧光分子在不同时间的开关和定位实现空间分辨,光控开关是目前的主要选择,但是面临的一个关键问题是光开关很难做到可逆控制。


罗丹明螺内环类染料是一类热力学平衡控制的自发闪烁分子开关,不需要额外的激活因素就能够实现多次的往复开关。定量控制罗丹明染料在生理条件下(pH=7.4)的开环物种比例(KL-Z=10-3–10-2或 pKcycl≤6.0)即可实现单分子定位和动态超分辨成像。但由于自闪染料的开关环比例要求苛刻,而且分子结构对该比例有重大影响,大量的分子合成与筛选是当下获得理想超分辨自闪染料的唯一途径。这致使此类染料的开发极其缓慢。为加速该领域的发展,化学家们迫切需要一种精准和定量设计自闪罗丹明染料的方法。


近日,中国科学院大连化学物理研究所1818组徐兆超研究员(点击查看介绍)团队与新加坡科技设计大学刘晓刚教授(点击查看介绍)团队合作,发现罗丹明染料开关环物种稳态下的吉布斯自由能的差值(ΔGC-O)同开环比例具有优异的线性关系(R2= 0.965)。此线性关系可以定量地指导设计特定开环比例的罗丹明染料(图1a-b)。

图1.(a)基于ΔGC-O的自闪染料设计方法开发流程图;(b) ΔGC-O与pKcycl的线性关系和该关系指导开发的自闪染料HM-DS531、HM-DS655;自闪染料在超分辨(c)线粒体和(d)细胞核成像上的生物应用。


研究者进而利用ΔGC-O作为描述符定量高效的开发出了多颜色自闪荧光染料并用于单分子定位超分辨成像,实现了线粒体、微丝、细胞核的超分辨成像,并实时观察到了线粒体的融合和分裂过程。这些染料满足了超分辨动态多色成像的需求(图1c-d)。


研究者期望ΔGC-O能促进自闪荧光染料的高效开发,加速超分辨成像技术在生物成像和其他领域的应用。


相关研究成果发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。


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):

Descriptor ΔGC-O Enables the Quantitative Design of Spontaneously Blinking Rhodamines for Live-Cell Super-Resolution Imaging

Weijie Chi, Qinglong Qiao, Chao Wang, Jiazhu Zheng, Wei Zhou, Ning Xu, Xia Wu, Xiao Jiang, Davin Tan, Xiaogang Liu, Zhaochao Xu

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202010169


导师介绍

徐兆超

https://www.x-mol.com/university/faculty/22757

刘晓刚

https://www.x-mol.com/university/faculty/67660


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