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我所熒光染料發光構效關系研究取得系列進展

  我所分子探针与荧光成像研究组(1818组)徐兆超研究員团队长期致力于荧光分子科学与工程研究,针对生物单分子检测和超高时空动态分辨的前沿需求,开展“标记-探针-成像”一体化研究。该团队以荧光分子发光构效关系为核心,以“实验/理论”相结合的模式深刻理解和探索分子发光机理,工程化创制高性能新型荧光分子,并于近期取得了一系列新进展。

  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),发现了一种新型的光诱导分子内电荷转移机制,命名为“分子内扭转电荷穿梭”(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爲出發點,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後,基態作爲電子供體的二烷基胺在激發態可轉變爲電子受體,並迅速隨著自身90o的扭轉由電子受體再次轉變爲電子供體,由LE激發態轉變到TICS激發態,從而實現了電荷的往複“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.)。

  超分辨荧光显微镜突破了传统光学显微镜的衍射极限限制,使得光学显微镜能够达到纳米尺度的空间分辨率,对生命科学的发展具有重要意义。其中基于单分子定位的超分辨荧光成像技术,需要荧光染料既要具有荧光“开-关”功能,又要具有高荧光强度和好的光稳定性。罗丹明类染料由于其高荧光强度和光稳定性,以及其螺内酰胺衍生物所具有的光激活荧光开关功能已被广泛使用在超分辨单分子定位显微成像中。然而罗丹明螺酰胺的开环反应会受到酸性环境的影响,严格限制这类染料只能在中性环境中使用,此外其闭环反应速率较慢,导致了这类染料通常被用作一次光激活荧光染料而不是可逆的光开关染料。科研人员通过引进分子内氢键稳定螺酰胺结构,报道了一系列荧光螺酰胺使得它们即使在酸性环境中也能够具有好的光开关性能;进一步共轭修饰6-苯乙炔基萘酰亚胺,将激活光波长红移到了可见光区域(>400nm),使得该类染料适用于活细胞超分辨成像;最后将这类耐酸性光开关荧光染料标记处于酸性环境(pH 4.5)中的枯草芽孢杆菌细胞膜表面,通过超分辨成像系统得到细菌细胞膜的三维超分辨图像。

  此外,徐兆超团队还提出了变型荧光传感器的概念(transformable fluorescent sensor, TFS),改变传统荧光探针的“一把钥匙开一把锁”的主客体识别模式为具有类似万能钥匙的分子实验室功能(lab-on-a-molecule)模式,即一个探针分子就可以识别区分众多的分析物,实现了多种临床耐药菌的鉴定(ACS Sens.)。

  多重耐藥細菌感染已成爲病患發生嚴重並發症和死亡的主因之一。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、環境汙染嚴重、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分鍾內成功鑒定了24種細菌的革蘭氏陽性/陰性,並鑒別出其中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,有望發展成爲一種快速、准確、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。

  以上研究工作得到国家自然科学基金、我所DMTO和转化医学基金等资助。(文/图 乔庆龙、祁清凯、苗露、龙双双)

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