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生物相容光化学——从有机光化学到光化学生物学

陈以昀课题组致力于发展新型的生物相容性光化学反应，将有机光化学与光化学生物学相结合，为分子科学和生命科学研究提供新的工具。通过设计创新的可见光催化反应模式，我们系统地探索了生物相容性、新型化学反应性和生物应用。相比于传统的紫外光直接激发，我们的方法利用可见光或近红外光激发光催化剂或分子复合物，在温和条件下实现可控的化学反应。这一策略不仅拓展了光化学反应的底物范围，而且为细胞内生物分子的精准调控提供了新的途径。

图 1 生物相容光化学的理论基础

2022年诺贝尔化学奖肯定了点击化学和生物正交反应在生命科学和材料科学中的重要地位。然而，现有方法往往依赖过渡金属催化剂或高张力底物，限制了其在复杂生物体系中的应用。我们从生物相容性光催化出发，发展了一系列新型光催化剂和反应，实现了可见光或近红外光驱动的精准生物分子修饰。这些方法不仅具有良好的生物相容性，而且反应条件温和、选择性高、时空分辨率高，为活细胞内生物过程的动态调控提供了全新的工具，有望在生物医学领域产生深远影响。

图 2 生物相容光化学的研究策略

1.生物相容光化学建立 

1.1 生物大分子相容性研究 :

我们率先将环状三价碘试剂（BI）引入可见光催化氧化体系，并成功实现了其与生物大分子的兼容性（图3）。通过系统研究，我们建立了一套评价可见光催化反应生物相容性的通用策略，包括反应物和产物的稳定性、化学选择性、官能团耐受性、对生物大分子的影响以及在复杂生物体系中的适用性。基于这一策略，我们进一步将该方法拓展到抗坏血酸可见光催化还原体系。

图 3 可见光催化氧化还原体系的生物大分子相容性建立（2013）

1.2 活细胞相容性研究 :

将可见光催化反应应用于活细胞面临着诸多挑战，如过渡金属光催化剂的细胞毒性、细胞内复杂环境对反应的影响等。为了克服这些困难，我们以荧光素和罗丹明等生物相容性有机染料为光催化剂，成功实现了活细胞内的光催化反应。该反应利用细胞内源性氧气和抗氧化剂，在温和条件下高效进行，为活细胞内生物分子的精准调控提供了新的工具。

图 4 可见光催化反应的活细胞包括神经元相容性建立（2018） 

1.3 活体小鼠相容性研究 :

将可见光催化反应应用于活体面临着诸多挑战，如组织对光的散射和吸收、细胞内复杂环境等。为了克服这些困难，我们设计合成了一种新型双功能配体-有机染料小分子BGFL，并将其与SNAP-tag蛋白融合，构建了可遗传编码的杂合蛋白光催化剂SNAP-FL。通过绿光照射，SNAP-FL可在活细胞、离体神经元和活体小鼠内高效产生超氧阴离子，催化脱硼羟基化反应，实现生物活性小分子的精确时空控制释放。我们首次通过光催化遗传学手段，利用巴氯芬缓解了小鼠瘙痒症状，揭示了NaV1.8+神经元在瘙痒传导中的关键作用。

图 5 可见光催化反应的活体小鼠相容性建立（2023） 

2.有机光化学

2.1 有机硼化合物：

不同于光催化剂实现的电子或能量转移反应，分子复合物的形成使非可见光敏底物的可见光反应成为可能，为生物相容光化学反应提供了新可能。由于电子性质匹配的需要，目前只有非常有限的电子给受体复合物底物分子对被报道。我们借鉴自然中还原型辅酶Ⅰ（NADH）与电子给体形成电子给受体复合物的现象，发现NADH类似物汉斯酯可与N-烷氧酞酰亚胺或N-羧酸酞酰亚胺形成电子给受体复合物（图8）。该复合物被一系列光谱与机理实验证实，作为关键中间体吸收光谱红移，进而可以吸收可见光生成烷氧自由基或羧酸自由基。我们发现酮酸与烷基硼酸也可以形成全新的分子复合物，进而发生可见光促进的无需额外试剂的硼酸酮酸加成反应，其中硼酸对酮酸的络合是烷氧自由基β-断裂副反应受到抑制的关键因素。近来我们报道了第一例1,3-硼迁移至酮的可见光驱动反应，通过原位生成烯醇酮螯合的四配位硼复合物，在可见光驱动下跃迁至激发态促进了区域选择性的1,3-硼迁移反应合成各种β-羰基叔醇化合物。

图 6 有机硼化合物的可见光激发态化学（2019-）

2.2 环状三价碘BI试剂:

相比强氧化性的环状五价碘与非环状三价碘试剂，少为人知的环状三价碘试剂一直被认为化学惰性。我们首次发现环状三价碘试剂Benziodoxoles（我们命名为BI）具有独特的可见光化学反应新性质，并具有生物大分子相容性。BI-OH或BI-OAc是极其温和的光催化氧化淬灭剂，而BI-alkyne是优秀的光催化自由基受体并能释放BI自由基实现氧化还原中性反应，这些BI试剂的温和光化学反应性质均为首次发现（图6）。我们进一步发现BI具有类过渡金属性质，BI可以活化烯基羧酸作为自由基受体，或者活化酮酸作为自由基给体 ，这些羧酸活化模式与反应中间体被核磁实验深入研究，并首次获得单晶衍射证实。除了对羧酸的活化，我们还发现BI可以活化醇实现可见光催化的烷氧自由基产生，并且含有吸电子基团的BI具有更强的活化性质可氧化高氧化电势的醇，上述醇的活化模式首次被核磁实验与单晶衍射结果证实。近期我们发现BI除了上述共价键活化的性质，还具有非共价键相互作用活化酰胺及醇的新性质。

图 7 环状三价碘试剂BI的可见光催化新反应性（2014-）

2.3 氧中心自由基:

我们利用生物相容的可见光催化BI及肽酰亚胺反应体系，通过烷氧自由基这一高活性中间体首次实现了生物相容的惰性碳氢键及碳碳键的官能化反应（图7）。传统产生烷氧自由基需要高温强氧化剂紫外光等条件，不具有生物相容性，而其他课题组可见光产生烷氧自由基的尝试之前均未获得成功。我们在2015年首次报道了烷氧肽酰亚胺在可见光催化温和还原条件下产生烷氧自由基；进而在2016年通过BI对醇的活化在可见光催化温和氧化条件首次实现了醇氧化产生烷氧自由基；又进一步通过电子给受体复合物实现了无光敏剂的烷氧自由基可见光条件产生（见2.3）。

烷氧自由基的传统产生条件使后续生成的自由基无法发生多样的官能化反应，而可见光催化产生的烷氧自由基具有官能化δ位C-H及β位C-C键形成新碳碳键的优秀反应性质。烷氧自由基1,5-HAT对惰性δ位C-H的烷基化、烯基化、及炔基化反应可以在室温条件包括中性水溶液进行，我们并与蓝宇课题组合作对少为人知的烷氧自由基α位C-H活化的1,2-HAT反应机理进行了深入理论研究。烷氧自由基的β-C(sp³)-C(sp³)，CO-C(sp³)键及P-C(sp³)键的断裂官能化反应均能高效进行。烷氧自由基介导的惰性键官能化反应可以在复杂分子区域与化学选择性的进行，被广泛应用于复杂分子后修饰。

图 8 烷氧自由基的可见光催化新反应性（2015-）

3. 光化学生物学

光遗传学方法是近年来发展的革命性光调控方法，通过光敏感蛋白高时空分辨率地调控神经系统及其它生命活动，被认为是诺贝尔奖的有力竞争者。然而光遗传学需要转基因方式引入光敏感蛋白，不能应用于自然细胞，也无法调控小分子药物或进行蛋白质标记研究。与之相比，生物相容可见光催化化学作用在小分子及药物水平，兼具研究工具与光诊断治疗的优秀前景。

3.1 药物分子光释放：

我们在生物相容可见光催化反应的系统研究提供了丰富的光释放活性小分子工具。硼酸体积小并且稳定无毒，在已知药物结构中存在，是生物相容化学反应的理想反应物（图9a）。我们发展了能在室温中性水溶液中进行的脱硼炔基化、烯基化、及加成环化反应，可以实现多种活性小分子的精确光释放。在有机小分子荧光素或罗丹明催化下，硼酸在中性水溶液中可以通过脱硼羟基化反应高效光去笼释放含有酚、羟基、氨基的生物活性分子，与酮酸的无额外试剂加成反应可以在中性水溶液中光释放乳酸类抗副交感神经药物奥昔布宁、胃长宁等。酮酸具有类似的生物相容性，可以原位低浓度光释放代谢型谷氨酸受体mGlu5的抑制剂及激酶抑制剂等。通过脱硼羟基化反应可以在大肠杆菌中光释放异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（IPTG），从而实现光调控活细胞的蛋白表达。与上海交通大学医学院的徐天乐课题组合作，我们通过生物相容性光化学反应首次实现了巴氯芬硼酸前体光释放活性的巴氯芬（baclofen）分子，从而对小鼠脑片原代神经元GABAB受体进行了高时空分辨率的膜电位光调控（图9c）。该工作为国际上首次在活细胞内光释放生物活性小分子调控神经元膜电位，是光遗传学目前无法实现的小分子药物光调控应用。使用线粒体定位染料罗丹明衍生物，该方法可以借助活细胞内光催化产生活性物种的有限自由扩散实现线粒体选择性的小分子释放。

图 9  可见光释放中性水溶液及活细胞内的活性小分子

 

2.2 光标记生物大分子：

我们发现荧光素、罗丹明 123与吖啶橙在低能量蓝色或绿色LED光源照射下能够有效引发芳基叠氮探针进行水相的蛋白质标记反应（图10）。可见光催化叠氮标记反应与传统紫外光引发叠氮蛋白标记的反应速率类似并具有更好的生物相容性，在高能量可见光照射下该标记反应可缩短至1分钟甚至秒级。反应机理研究证实光催化芳基叠氮三线态能量转移产生活性中间体，进而被蛋白质亲核残基捕获生成标记产物。不同于紫外光直接照射发生全局的光化学反应，可见光催化的叠氮标记反应具有优秀的线粒体选择性，与罗丹明 123在线粒体内的定位区域符合。与张耀阳课题组合作通过该标记方法对鱼藤酮毒素引发的线粒体功能失调过程进行了蛋白质组学研究，基于光的高时空分辨率首次发现了若干动态变化的线粒体压力响应蛋白，对相关疾病研究与药物研发具有重要价值。该线粒体蛋白选择性标记新方法可以在原生的生物环境进行且具有高时空分辨率，操作简便并无需复杂遗传操作，具有良好的生物应用前景。

图 10 可见光催化选择性标记生物大分子

 

2.3 光调控生命体系功能 ：

光调控蛋白有助于高时空分辨精度的探索动态生物功能。光遗传学基于光敏蛋白实现光调控在过去十几年极大推动了神经科学及相关生命科学的发展。在众多光遗传学方法中，光加笼蛋白策略独具特色，可以通过光释放蛋白活性残基实现位点特异性的蛋白光调控。目前，光加笼蛋白需要通过遗传编码的非天然氨基酸引入技术构建（图11a）。然而，遗传编码的光敏蛋白引入方式无法实现内源蛋白的调控，因此无法研究原生环境内源蛋白功能,也难以进行后续的疾病治疗应用。为此，小分子策略提供了具有吸引力的解决方案，但是广为使用的小分子光去笼方法所释放的活性小分子会无限制自由扩散，降低了该方法的时空分辨精度。我们发展了基于光敏感小分子配体的内源蛋白加笼策略，首次实现了光化学调控活细胞内源DNA修复酶功能（图11b）。

图 11  通过小分子配体策略实现光调控活细胞功能

O6-烷基鸟嘌呤-DNA烷基转移酶（AGT）是哺乳动物细胞DNA烷基化损伤修复的关键蛋白，也是癌症病理学及治疗学研究的重要靶点蛋白。时空选择性的光干预癌症细胞对烷化试剂的耐受性，为靶向抑制癌细胞AGT活性的癌症治疗提供了新思路。根据AGT的化学反应机理，我们设计并合成了多个AGT的光敏感小分子配体。通过有效分子浓度提升，AGT的145位半胱氨酸活性残基可以被小分子配体O6-NBG3的光敏感基团特异性修饰，从而封闭其DNA修复功能。O6-NBG3加笼的烷基化AGT在紫外光或可见光照射下，可以特异性的释放145位半胱氨酸活性位点并恢复其DNA修复功能。该光调控方法在纯蛋白体系、大肠杆菌及哺乳细胞体系可以实现AGT功能的快速开关控制，且具有光剂量依赖性。基于小分子配体的加笼策略可实现内源蛋白活性位点的时空选择性光干预，为内源蛋白研究提供了具有吸引力的小分子配体解决方案。

 

 

 

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