激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移（ESIPT）作為熒光分子核心傳感機制，被廣泛應(yīng)用于熒光探針、生物成像、分子邏輯器件及光電材料等領(lǐng)域。傳統(tǒng)ESIPT熒光團（如HBO、HBT等）因必須依賴共軛體系內(nèi)的分子內(nèi)氫鍵，長期面臨識別選擇性差、生物相容性差、設(shè)計局限三大技術(shù)瓶頸，而生物兼容性優(yōu)異的經(jīng)典熒光團（如萘酰亞胺、Acedan、NBD等）又無法具備ESIPT效應(yīng)。
近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員徐兆超、副研究員喬慶龍團隊發(fā)現(xiàn)了一種新型“尾翼”介導的激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移機制（ta-ESIPT），在對水/非水環(huán)境轉(zhuǎn)變中表現(xiàn)出優(yōu)異的ESIPT激活性能，并且在寬的極性范圍內(nèi)均可實現(xiàn)雙熒光發(fā)射，被應(yīng)用于活細胞內(nèi)多種蛋白的比率識別、動態(tài)熒光成像與藥物篩選。
基于前期提出的“變形受體”概念，即通過環(huán)境刺激驅(qū)動酰胺與亞氨酸之間的動態(tài)結(jié)構(gòu)互變，研究團隊在深入探究其分子作用機制時發(fā)現(xiàn)，“尾翼”結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程的定向調(diào)控。團隊通過在熒光母核中引入脂肪胺“尾翼”結(jié)構(gòu)，在激發(fā)態(tài)條件下，酰胺基團的質(zhì)子能夠精準轉(zhuǎn)移至“尾翼”受體，進而形成穩(wěn)定的ta-ESIPT雙發(fā)射態(tài)。該機制在弱極性至強極性的多種溶劑中均保持穩(wěn)定，且能智能識別水相環(huán)境自發(fā)關(guān)閉，提升了探針對非水微環(huán)境變化的響應(yīng)敏感性。
研究團隊利用ta-ESIPT的普適性特點，基于六種經(jīng)典電荷轉(zhuǎn)移型熒光團開發(fā)出系列靶向碳酸酐酶、親和素、SNAP-tag、HaloTag等蛋白的比率型探針。實驗證實，探針結(jié)合靶蛋白后觸發(fā)顯著熒光紅移，實現(xiàn)活細胞內(nèi)上述蛋白的動態(tài)比率成像與藥物篩選。相較于傳統(tǒng)ESIPT體系，ta-ESIPT平臺具有模塊化設(shè)計優(yōu)勢：僅需對現(xiàn)有經(jīng)典熒光團進行微小化學修飾即可實現(xiàn)ESIPT功能擴展，在保持優(yōu)異生物相容性的同時，解決了環(huán)境敏感性與分子適應(yīng)性難以兼得的矛盾。
該研究將ESIPT熒光團的設(shè)計自由度拓展至非共軛依賴體系，建立了“即改即用”的探針開發(fā)范式，同時也深化了對復雜生物體系中質(zhì)子轉(zhuǎn)移機制的理解。通過實現(xiàn)納米尺度微環(huán)境的高分辨解析，ta-ESIPT技術(shù)有望推動蛋白質(zhì)動態(tài)互作、藥物靶標篩選等領(lǐng)域的革新。
相關(guān)研究成果以Tail-Assisted Excited-State Intramolecular Proton Transfer (ta-ESIPT) Fluorophores: A Universal Ratiometric Platform for Hydration-Sensitive Biomolecular Imaging and Sensing為題，發(fā)表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上。研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊項目、大連化物所創(chuàng)新基金等的支持。
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研究揭示新型“尾翼”介導的激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移機制
