加州理工魏璐组JACS：拉曼成像用于环境传感的新思路

自2008年来，受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）成像方兴未艾，为生物成像领域注入了新的活力。拉曼探针的微小性、散射光谱的狭窄性和拉曼信号的稳定性使得受激拉曼散射成像解决了许多传统荧光成像无法避免的问题，能够实现小分子的无损伤标记和超多通道的稳定成像。然而，目前绝大多数的拉曼探针在生物成像中仅仅充当着“标志物”的角色，使得拉曼信号背后的丰富的化学结构信息被埋没和忽视。如何更加充分地利用拉曼成像来解决更多的生物学问题一直是这一领域科研人员的共同追求。

加州理工学院的魏璐（点击查看介绍）课题组提出了拉曼成像的一种全新应用——基于氢-氘交换通过炔基标记的拉曼探针实现了对局部环境的传感与探测。炔基在无背景干扰的振动区间有单一的特征频率，且一般不存在于生物体当中，所以常被用做拉曼探针来进行细胞结构的标记。炔基的振动频率会随分子结构的改变而改变，基于此，研究人员通过一种自发进行的“化学反应“——氢-氘交换——建立起了拉曼信号与局部环境信息之间的连接。一方面，当末端炔基的氢被替换为氘时，炔基的振动频率会发生超过130 cm^-1的红移，使得替换前后两种结构可以轻易地通过拉曼信号进行区分；另一方面，末端炔基微弱的酸性使得氢-氘交换能够在一个合适的时间尺度上进行。因此，当炔基标记的拉曼探针进入氘代环境（例如重水溶液）后，氢-氘交换的过程可以通过拉曼信号被全程记录，反应的动力学也可以进一步分析得到。

图1. 炔基标记的拉曼探针的氢-氘交换过程示意图

通过理论分析和实验验证，研究人员证明了末端炔基的氢-氘交换在一定条件下可以视作一级反应，反应的半衰期（t_1/2）可以作为反应速率的量化表示。进一步研究发现，半衰期的对数（lg(t_1/2)）与末端炔基的pK_a呈正相关，与溶液的pD（氘离子浓度的负对数）呈负相关。这一关系也通过实验得到了证明。因此，氢-氘交换反应的半衰期可以表示出pK_a和pD的变化，进而进行局部环境的传感与探测。

研究人员通过小分子类似物实现了对细胞结构的标记，并对多个生物学问题进行了研究。通过对DNA的炔基标记和进一步的氢-氘交换动力学测定，研究人员对不同DNA结构（包括双链DNA、单链DNA和细胞DNA）和UV引起的DNA损伤进行了研究分析；通过对脂质膜的炔基标记和进一步的氢-氘交换动力学测定，研究人员证明了该方法可以用来测定细胞的局部pD。此外，研究人员还实现了基于氢-氘交换反应速率的活细胞多色成像。基于其普适性，研究人员相信该方法在未来将在更多小尺度局部环境的传感和探测上发挥作用，解决更多重要的生物学问题。

相关成果近期发表于J. Am. Chem. Soc.，文章作者包括博士研究生毕晓天、苗坤和魏璐教授。

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Alkyne-Tagged Raman Probes for Local Environmental Sensing by Hydrogen–Deuterium Exchange

Xiaotian Bi, Kun Miao, and Lu Wei*

J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 8504–8514, DOI: 10.1021/jacs.2c01991

导师介绍

魏璐博士，2010年毕业于南京大学匡亚明学院强化部，2015年获得美国哥伦比亚大学化学博士学位。2018年于加州理工学院化学系担任助理教授和博士生导师。获得过美国化学学会物理化学青年研究员奖（ACS Physical Chemistry Division Young Investigator Award），布拉瓦尼克青年科学家奖（Blavatnik Regional Awards for Young Scientist），安进早期创新者奖 (Amgen’s Early Innovator Award)，美国国立卫生研究院院长新创新者奖 （National Institute of Health (NIH) Director's New Innovator Award），Heritage Medical Research Institute (HMRI)研究员，斯隆研究奖（Sloan Research Fellowships）等奖项。以第一作者或通讯作者于Nature，Nat. Methods，Nat. Commun.，JACS，PNAS，ACS Cent. Sci.，JPCL，ACS Chem. Biol.，Anal. Chem. 等期刊发表论文。

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