活细胞内单分子自拍

人类对生命过程和生命现象的揭示远远不及冰山一角。分子水平上,超分子组装和化学反应是生命活动的本质特征。结合活体内的生物化学过程,将反应组装的动力学过程应用于活体内部,在分子水平上实现生命认知、生理调控和疾病治疗是科学家面临的挑战。可视化可追踪评价活细胞乃至活体内单分子活性及位置是分子水平认知生命过程的基本要求。传统的技术手段对于这两者的表征往往是解耦的,如何将两者偶联并实时观察对于理解活性蛋白的生物学功能及意义至关重要,而此前没有技术可以很好的实现这一目标。为了实现这一点,不仅需要一个精确完美的设计策略,也需要化学分子设计合成、超分子组装、生物化学等多学科交叉的完美结合。

国家纳米科学中心梁兴杰组赵元元与清华大学张奇伟组张旭合作,利用化学合成小分子完成了单细胞内酶分子位置实时示踪和活性评价。化学合成的TPE-YpYY/TPE-YYY,具有高度生物相容性,可在活细胞内准确快速酶定位反应并原位定点自组装,同时荧光信号出现并放大。因此具有高信噪比,能够耐受长时间信号采集。游离的生物安全性小分子TPE-YpYY没有荧光信号,它们可快速扩散进入细胞,在碱性磷酸酶位点特异性脱磷酸形成生物相容性TPE-YYY,同时产物TPE-YYY在磷酸酶位点聚集组装产生高亮的荧光信号,其荧光强度与酶活性直接相关。由此TPE-YpYY/TPE-YYY这对化学合成小分子在点亮酶定位其位置的同时,也定位了碱性磷酸酶在活细胞中的位置。由于碱性磷酸酶是一种重要的生物标志物,其活性与位置是生理状态相关的。因此这一碱性磷酸酶活性评价和定位研究在临床上和生物研究上具有重要的意义。

点亮星空,照亮宇宙。活细胞内的小分子就如宇宙中的繁星点点。将化学反应与生理过程结合,利用定位自组装技术和响应性信号点亮过程,我们不仅有望看到活体内的单分子,还将为单分子级别实现对生物分子活性的直接操控打下基础,推动生命科学相关研究领域的发展。这一工作在Advanced Materials杂志上以封面文章发表(DOI: 10.1002/adma.201601128

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