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「Spotlight Research」光启动的四嗪生物正交反应

本文作者:石油醚

本期热点研究,我们邀请到了北京协和医学院药物研究所的刘陆平研究员。

刘陆平研究员所在的University of California, San Diego的Neal Devaraj教授课题组基于光光控四嗪生物正交反应的策略,成功实现实现了对四嗪正交反应的高精度时空调控,并利用这种可见光启动的四嗪在活细胞内精准调控生物活性分子,实现靶向标记、改造和递送目标生物分子,相关工作发表于Nature Chemistry

“Light-activated tetrazines enable precision live-cell bioorthogonal chemistry”

Luping Liu, Dongyang Zhang, Mai Johnson & Neal K. Devara*, Nat. Chem., 2022, doi: 10.1038/s41557-022-00963-8.

 

Q1. 请对“Light-activated tetrazines enable precision live-cell bioorthogonal chemistry”作一个简单介绍?

生物正交化学反应能够在活细胞或体内进行,而且不干扰生物体自身生化反应,这为研究和调控复杂的生命现象提供了更多的方法和策略。其中四嗪生物正交反应反应速率高和生物相容性好,是最常用的生物正交化学的工具之一。但如何在生物体内精准进行四嗪正交反应,目前仍处于探索阶段。可见光具有无创伤性,通过调节光照的范围和强度可实现精确时空调控,是优选的外源性刺激因子。已报道的光控四嗪生物正交反应(J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 5978; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 15876;  J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 1647),但这些反应需要外源性催化剂或者紫外光照,限制了其在生物活体内的应用范围。本次研究基于Devaraj课题组对于二氢四嗪/四嗪氧化还原反应的研究(J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 8876),创新性地用光笼(photocage)基团修饰二氢四嗪,合成种类多样的光笼二氢四嗪化合物(四嗪前体)。这种光笼四嗪前体在可见光照射下可脱笼,然后被空气中氧气氧化成四嗪,进而和亲二烯烃进行传统四嗪生物正交反应(Figure 1)。该策略实现了对四嗪正交反应的高精度时空调控,作者利用这种可见光启动的四嗪在活细胞内精准调控生物活性分子,实现靶向标记、改造和递送目标生物分子。

Fig.1: Light-controlled bioorthogonal tetrazine ligation in living cells. (Picture from Nat. Chem.)

Q2. 在本次研究的时候遇到过怎样的困难呢?又是怎样克服的呢?

1.该研究的第一个瓶颈就是高产率合成光笼二氢四嗪化合物(Figure 2)。University of California, San Diego的Devaraj课题组长期从事四嗪生物正交反应的研究,2018年我加入该课题开展自己的博士后研究工作。2018年,我和Devaraj教授开始探讨如何实现应用性广泛的光调控四嗪正交反应。然而当时成熟的合成路线还是局限在对称的四嗪反应,直到四川大学吴昊星课题组发展的谷胱甘肽有机催化的四嗪化合物合成方法(Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 1106),我们才能高产率合成不对称四嗪底物。然后优化合成条件和光笼基团1-(2-硝基苯基)乙基氨基甲酸酯基,最终得到稳定的光笼二氢四嗪1a。

2.第二个困难就是对光笼二氢四嗪化合物的底物范围进行扩展,尤其是获得长波长的光笼二氢四嗪化合物。我们花了近一年的时间来探索绿光启动的BODIPY-二氢四嗪。为了获得BODIPY-二氢四嗪,我们需要将活化的BODIPY基团和二氢四嗪相结合。然而活化的BODIPY非常的不稳定,我们经历很多困难:首先我们在美国某知名试剂公司订购活化的BODIPY,但是收到的产品已经分解,纯度只有30%。我们反应情况后,他们立刻下架该产品;紧接着我们在另一个化学合成公司定制活化的BODIPY,他们非常有信心两个月合成纯度大于90%的产品,实际情况是,一个月后他们反馈说这个化合物太不稳定,合成非常困难,纯度最后60%也达不到;最后我们直接联系发明该化合物的Winter教授,他们提供了最新优化的合成路线,和一些反应前体,我们才得到了一些实验的初步结果。我们课题组现在仍在优化红移的光笼二氢四嗪化合物的合成路线。借此非常感激Winter教授一如既往的支持。

3.此外就是2020年初美国的疫情严重,我们实验经常不得不中断几个月。疫情期间开展实验非常的不容易,订购药品的时间变长,一些必须的试剂耗材断货,同时需要协调实验时间和公共仪器的使用。非常感谢Devaraj课题组实验室各成员的支持才能促使这项工作的顺利完成。

Fig.2: Photocaged dihydrotetrazines (Picture from Nat. Chem.)

Q3. 本次研究主体,有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢?

科学研究本身就是发现问题,解决问题,然后发现新问题,探索新方法的过程。探讨科研问题和设计实验路线策略时的脑力劳动,还有具体实验室操作时的体力劳动都是必不可少的。本次研究中没有具体的那一部分让我感到特别的辛苦或者烧脑,但是我确实一直在学习新的知识和技能。例如,我之前的科研训练集中在化学的有机合成,而本次研究中我需要学习设计,进行和分析细胞实验,加强生物学的科研训练。这也是交叉学科的吸引力和挑战所在,需要你具备融合和灵活运用多学科知识和技术的能力。

Q4. 将来想研究化学的哪个方向呢?

我现在工作的单位北京协和药物研究所是国家重点药物研究机构之一,以创制具有自主知识产权的新药为重点。我们课题组关注新药创制和新型生物化学技术研发,课题组研究方向包含:1. 生物药物和分子探针的研发;2. 新型生物相容性化学方法学的开发和应用;3. 生物相容性催化化学。

Q5. 最后,有什么想对各位读者说的吗?

我感到非常幸运,能够从事科学研究,这是一个有趣且充满挑战的工作。有幸遇到良师益友,借此分享给读者,导师时常给予我的教诲:“保持好奇心,自信心和恒心”。

刘陆平研究员简介

教育背景:

2010.09–2013.06 兰州大学 生物化学与分子生物学专业 硕士(王锐 教授)

2013.08–2017.10 Max-Planck-Institut für Kohlenforschung 有机化学专业 博士(Professor Benjamin List)

2018.01–2022.04 University of California, San Diego化学生物学专业 博士后(Professor Neal Devaraj)

2022.05至今 北京协和医学院药物研究所 (研究员,博士生导师,国家重点实验室课题组长);

获奖经历

荣获Turk-Prize;

留德华人化学化工学会青年化学奖;

国家优秀自费留学生奖学金等荣誉

相关连接:

Nat. Chem.:光启动的精准四嗪生物正交化学

22NatChem: 稳定快速的可见光激活的生物正交化学

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