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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生物相容性光化学反应，融合有机光化学与光化学生物学，为分子科学与生命科学研究提供创新性工具。通过设计新型可见光催化反应模式，我们系统探索了反应体系的生物相容性、新反应性及其在生物系统中的应用潜力。区别于传统的紫外光直接激发策略，我们利用可见光或近红外光激发光催化剂或分子复合物，在温和条件下实现高效、可控的化学转化。这一方法不仅显著拓展了光反应的底物适用范围，也为细胞内生物分子的精准调控开辟了新途径。

图 1 生物相容光化学的理论基础

2022年诺贝尔化学奖彰显了点击化学与生物正交化学在生命科学与材料科学中的重要作用。然而，现有方法多依赖过渡金属催化剂或高张力分子，限制了其在复杂生物环境中的广泛应用。立足于生物相容性光催化，我们开发了一系列新型光催化反应体系，实现了在可见光或近红外光诱导下对生物分子进行精准修饰。这些方法具备优良的生物相容性、温和的反应条件、高选择性与高时空分辨率，为活细胞层次生物过程的实时干预与动态研究提供了强大工具，有望在生物医学领域带来重要影响。

图 2 生物相容光化学的研究策略

1.有机光化学

1.1 有机硼光迁移：

与依赖光催化剂进行电子或能量转移的传统策略不同，电子给体-受体复合物（EDA复合物）的形成使得非光敏底物在可见光条件下的反应成为可能，为发展生物相容性光化学提供了新途径。然而，由于对电子性质匹配的严格要求，目前仅有少数底物分子对能够有效形成这类复合物。受自然界中还原型辅酶Ⅰ（NADH）与电子给体形成EDA复合物的启发，我们发现其类似物Hantzsch酯可与N-烷氧基邻苯二甲酰亚胺或N-酰基邻苯二甲酰亚胺形成稳定的EDA复合物（图3）。该复合物作为关键中间体经多种光谱及机理实验证实，其吸收发生红移，可有效利用可见光生成烷氧自由基或羧酸自由基。

此外，我们首次报道了酮酸与烷基硼酸之间可形成一类新型分子复合物，进而实现无需额外试剂的可见光促进硼酸-酮酸加成反应。值得注意的是，硼酸与酮酸之间的配位作用有效抑制了烷氧自由基β-断裂副反应的发生。最近，我们成功开发了首例可见光驱动的1,3-硼迁移至酮的反应。该过程通过原位生成烯醇酮螯合的四配位硼复合物，在可见光激发下促进区域选择性的1,3-硼迁移，为高效合成多种β-羰基叔醇化合物提供了新方法。

图 3 有机硼化合物的可见光激发态化学（2017-）

1.2 环状高碘BI光催化:

与强氧化性的环状五价碘及非环状三价碘试剂相比，环状三价碘试剂长期以来被认为化学性质较为惰性，相关研究较少。我们首次发现环状三价碘试剂 Benziodoxoles（我们将其命名为BI）在可见光催化中表现出独特的新反应性质，并具有良好的生物大分子相容性。具体而言，BI-OH与BI-OAc可作为极其温和的光催化氧化淬灭剂，而BI-alkyne则是一类优异的光催化自由基受体，能够在反应中释放BI自由基，进而实现氧化还原中性过程——这些BI试剂在光化学中的温和反应特性均为首次报道（图4）。

进一步研究发现，BI表现出类过渡金属的行为特性：它能够活化烯基羧酸作为自由基受体，也可活化酮酸作为自由基给体。这些羧酸活化模式及其反应中间体均通过核磁共振技术进行了系统研究，并首次通过单晶X射线衍射获得了结构确认。除对羧酸的活化外，我们还发现BI能够高效活化醇类化合物，在可见光催化条件下产生烷氧自由基；尤其值得注意的是，带有吸电子基团的BI衍生物显示出更强的活化能力，可氧化具有较高氧化电势的醇类底物。上述醇的活化机制也首次通过核磁共振实验与单晶衍射得到了明确验证。最近，我们还揭示了BI不仅具有上述共价键活化能力，还可通过非共价键相互作用实现对酰胺及醇类分子的活化，进一步拓展了该试剂的应用范围与反应机制的理解。

图 4 环状三价碘试剂BI的可见光催化新反应性（2014-）

1.3 烷氧自由基新反应:

传统方法产生烷氧自由基通常依赖高温、强氧化剂或紫外光等苛刻条件，而此前其他课题组尝试利用可见光催化产生烷氧自由基的研究均未取得成功。我们于2015年首次报道了在可见光催化的温和还原条件下通过烷氧肽酰亚胺产生烷氧自由基的新策略；2016年进一步利用BI试剂对醇进行活化，在可见光催化的温和氧化条件下首次实现了醇类化合物直接氧化产生烷氧自由基；随后又发展了基于电子给体-受体复合物（EDA）的无光敏剂可见光催化新方法，成功实现了烷氧自由基的高效生成（图5）。

相较于传统苛刻条件下产生的烷氧自由基在官能化反应中的局限性，可见光催化所产生的烷氧自由基表现出优异的反应活性，能够高效实现δ位C–H官能化及β位C–C键断裂并构建新的碳碳键。在此基础上，我们对烷氧自由基α位较少被探索的反应特性开展了系统研究，包括通过1,2-HAT反应生成羰基自由基，以及经由α位HX消除首次产生甲酰自由基等重要过程。我们与蓝宇教授课题组合作，对该类烷氧自由基α位反应性的机理进行了深入理论研究，揭示出其重要的理论意义与实际应用潜力。

图 5 烷氧自由基的可见光催化新反应性（2015-）

2. 光化学生物学

光遗传学作为一种革命性的光调控技术，通过光敏感蛋白实现了对神经系统及其他生命活动的高时空分辨率调控，被认为具有诺奖级影响力。然而，该方法依赖转基因表达外源蛋白，无法适用于天然细胞体系，也难以用于小分子药物调控或蛋白质标记研究。相比之下，生物相容性可见光催化作用于小分子及药物层面，兼具工具属性和光诊疗应用潜力，为精准生物调控提供了新途径。

2.1 前药光释放：

我们在生物相容性可见光催化反应方面的系统研究，发展出一系列可用于活性小分子精准光释放的工具体系。硼酸类化合物因其体积小、稳定性高、低毒性，且广泛存在于药物结构中，成为生物相容光化学反应的理想底物（图6）。我们开发了可在室温、中性水溶液中进行的脱硼炔基化、烯基化及加成环化等反应，实现了多种生物活性分子的可控光释放。在荧光素或罗丹明等有机光催化剂作用下，硼酸化合物可通过脱硼羟基化反应，高效、选择性地释放含酚羟基、氨基等官能团的生物活性分子。此外，借助与酮酸的无外加试剂加成反应，可在中性水溶液中光解释放如抗副交感神经药物奥昔布宁和胃长宁等乳酸类分子。酮酸同样具备良好的生物相容性，可用于原位低浓度光释放代谢型谷氨酸受体mGlu5抑制剂和激酶抑制剂等活性化合物。

我们通过脱硼羟基化反应，在大肠杆菌中成功光释放异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（IPTG），实现了光控蛋白表达。与上海交通大学医学院徐天乐教授课题组合作，首次在小鼠脑片原代神经元中，通过巴氯芬硼酸前体的光解释放 active baclofen 分子，实现对GABAB受体的高时空精度膜电位调控。该工作标志着国际首例在活细胞内光控释放生物活性小分子以调控神经元电活动，突破了光遗传学局限于蛋白调控的范畴。进一步地，利用线粒体定位的罗丹明衍生物作为光敏剂，该方法可借助光催化生成活性物种的有限扩散，实现线粒体选择性小分子释放，拓展了亚细胞精度光控药物释放的应用前景。

图 6  可见光释放中性水溶液及活细胞内的活性小分子

 

2.2 生物大分子光标记：

我们发现，在低能量蓝光或绿光LED照射下，荧光素、罗丹明123与吖啶橙等常见染料可高效催化芳基叠氮探针在水相中进行蛋白质标记反应（图7）。该可见光催化标记反应在速率上与传统紫外光激发的叠氮标记相当，却具备更优的生物相容性；在高强度可见光照射下，反应时间甚至可缩短至一分钟乃至秒级。机理研究表明，该反应通过光催化三重态能量转移过程生成高活性中间体，进而被蛋白质亲核残基捕获，实现共价标记。与紫外光全局激发导致的非选择性标记不同，该方法展现出优异的细胞器选择性：例如，在使用罗丹明123作为光敏剂时，标记反应特异性发生于线粒体区域，与该染料在线粒体内的富集行为高度一致。

我们与张耀阳教授课题组合作，利用该标记策略对鱼藤酮诱导的线粒体功能失调过程进行了蛋白质组学分析。凭借光反应的高时空分辨率，研究首次鉴定出多个响应线粒体压力的动态变化蛋白，为相关疾病机制研究与药物开发提供了新线索。这一线粒体蛋白质选择性标记方法无需遗传操作、操作简便，可在原生生物环境中实现高时空分辨率的蛋白标记，具有良好的应用前景和推广价值。 在此基础上，我们进一步与朱正江教授课题组合作，首创“亚细胞光催化叠氮邻近标记脂质组学技术”，突破了在生理状态下实时监测亚细胞层面脂质动态变化的领域难题，为该方向的研究提供了强有力的工具。

图 7 可见光催化选择性标记蛋白质与脂质

 

2.3 光调控生命体系功能 ：

光调控蛋白技术为在高时空分辨率下研究动态生物过程提供了强大手段。光遗传学凭借光敏蛋白实现对生物功能的精准调控，在过去十多年中极大推动了神经科学及相关生命科学领域的突破。在众多光调控策略中，光笼保护蛋白（photo-caging）技术尤为独特，它通过光解作用释放被保护的蛋白活性残基，从而实现位点特异性的光控功能调节（图8）。然而，该策略目前依赖于遗传密码子扩展技术引入非天然氨基酸，无法应用于内源蛋白的调控，因而难以研究天然状态下内源蛋白的功能，也限制了其在疾病治疗领域的转化。小分子光控工具为这一挑战提供了富有前景的替代途径。然而，传统小分子光去笼策略所释放的活性分子易发生自由扩散，导致时空控制精度下降。针对该问题，我们开发了基于光敏感小分子配体的内源蛋白光笼策略，首次在活细胞中实现了对内源DNA修复酶功能的光化学精准调控。

图 8  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）是哺乳动物细胞中修复DNA烷基化损伤的关键酶，也是癌症病理机制研究与治疗开发的重要靶点。实现对癌细胞中AGT活性的高时空精度光调控，有望为干预癌细胞对烷化剂的耐药性提供新策略，进而推动靶向AGT的癌症治疗研究。基于AGT的催化机制，我们设计并合成了多个可光解的小分子配体。通过提升有效作用浓度，光敏感分子O6-NBG3可特异性修饰AGT第145位半胱氨酸活性残基，从而可逆地抑制其DNA修复功能。经O6-NBG3笼蔽的烷基化AGT在紫外光或可见光照射下，可精准释放该活性位点，恢复酶活功能。该光控方法在纯蛋白、大肠杆菌及哺乳动物细胞体系中均实现了对AGT功能的快速、光剂量依赖性的“开关”式调控。这一基于小分子配体的蛋白光笼策略，首次实现了内源蛋白活性位点的时空选择性光干预，为在天然环境下研究内源蛋白功能提供了具有潜力的化学工具与解决方案。

 

 

 

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