我所熒光染料發光構效關系研究取得系列進展

  我所分子探針與熒光成像研究組(1818組)徐兆超研究員團隊長期致力于熒光分子科學與工程研究,針對生物單分子檢測和超高時空動態分辨的前沿需求,開展“標記-探針-成像”一體化研究。該團隊以熒光分子發光構效關系為核心,以“實驗/理論”相結合的模式深刻理解和探索分子發光機理,工程化創制高性能新型熒光分子,并于近期取得了一系列新進展。

  該研究團隊與新加坡科技設計大學劉曉剛教授合作,在前期獲得高熒光強度和光穩定性系列新型熒光染料的基礎上(J. Am. Chem. Soc., 2016),發現了一種新型的光誘導分子內電荷轉移機制,命名為“分子內扭轉電荷穿梭”(Twisted Intramolecular Charge Shuttle, TICS)(Angew. Chem. Int. Ed. )。

  光誘導電荷轉移是光合作用、太陽能電池、光催化劑、熒光探針等研究中的核心機制。電荷轉移過程的深入理解,對于光化學相關研究具有重要意義。然而,由于光子的吸收速度極快且激發態壽命較短,在分子水平上研究電荷轉移仍然是一個嚴峻的挑戰。雙方研究人員借助有機熒光染料多維的熒光信號(強度、壽命、波長等),以熒光染料構效關系與理論計算交叉結合為出發點,發現了一種電荷在供體和受體間往返轉移過程(TICS)。研究發現,模型染料分子受到光照激發后,基態作為電子供體的二烷基胺在激發態可轉變為電子受體,并迅速隨著自身90o的扭轉由電子受體再次轉變為電子供體,由LE激發態轉變到TICS激發態,從而實現了電荷的往復“穿梭”。該機制的發現進一步推進了分子水平上對光誘導電荷轉移機制的理解,在光電轉換、光催化等領域將具有重要價值。

  徐兆超團隊還開發了一種不受環境pH影響的熒光分子開關,通過有效調控分子開關速度實現了長時間的超分辨熒光成像(Chem. Sci.)。

  超分辨熒光顯微鏡突破了傳統光學顯微鏡的衍射極限限制,使得光學顯微鏡能夠達到納米尺度的空間分辨率,對生命科學的發展具有重要意義。其中基于單分子定位的超分辨熒光成像技術,需要熒光染料既要具有熒光“開-關”功能,又要具有高熒光強度和好的光穩定性。羅丹明類染料由于其高熒光強度和光穩定性,以及其螺內酰胺衍生物所具有的光激活熒光開關功能已被廣泛使用在超分辨單分子定位顯微成像中。然而羅丹明螺酰胺的開環反應會受到酸性環境的影響,嚴格限制這類染料只能在中性環境中使用,此外其閉環反應速率較慢,導致了這類染料通常被用作一次光激活熒光染料而不是可逆的光開關染料??蒲腥嗽蓖ü腫幽誶餳榷蒗0方峁?,報道了一系列熒光螺酰胺使得它們即使在酸性環境中也能夠具有好的光開關性能;進一步共軛修飾6-苯乙炔基萘酰亞胺,將激活光波長紅移到了可見光區域(>400nm),使得該類染料適用于活細胞超分辨成像;最后將這類耐酸性光開關熒光染料標記處于酸性環境(pH 4.5)中的枯草芽孢桿菌細胞膜表面,通過超分辨成像系統得到細菌細胞膜的三維超分辨圖像。

  此外,徐兆超團隊還提出了變型熒光傳感器的概念(transformable fluorescent sensor, TFS),改變傳統熒光探針的“一把鑰匙開一把鎖”的主客體識別模式為具有類似萬能鑰匙的分子實驗室功能(lab-on-a-molecule)模式,即一個探針分子就可以識別區分眾多的分析物,實現了多種臨床耐藥菌的鑒定(ACS Sens.)。

  多重耐藥細菌感染已成為病患發生嚴重并發癥和死亡的主因之一。臨床上快速、有效的耐藥菌診斷技術將十分有助于患者獲得及時的治療。細菌臨床診斷包括區分革蘭氏陰性/陽性菌、識別細菌種類、鑒定其耐藥性。常用診斷方法存在操作繁瑣、耗時費力、環境污染嚴重、檢測費用高等缺點。該研究團隊發展了一種對細菌膜表面高選擇性和高靈敏度識別的熒光探針,在30分鐘內成功鑒定了24種細菌的革蘭氏陽性/陰性,并鑒別出其中14種臨床分離的多重耐藥菌和10種細菌菌種。該工作已獲得“中科院威高計劃2019”項目立項,目前正與大連醫科大學附屬二院檢驗科合作,有望發展成為一種快速、準確、經濟的細菌臨床診斷新方法,用于快速鑒定細菌的革蘭氏陰性/陽性、種類和耐藥性,從而指導醫生有效用藥。

  以上研究工作得到國家自然科學基金、我所DMTO和轉化醫學基金等資助。(文/圖 喬慶龍、祁清凱、苗露、龍雙雙)

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