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【分析】JACS封面:可视化•OH与Cys氧化还原过程的双位点荧光传感器

时间:2023-01-13 来源: 浏览:

【分析】JACS封面:可视化•OH与Cys氧化还原过程的双位点荧光传感器

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注:文末有 研究团队简介本文科研思路分析
氧化还原反应是生物机体最重要的反应类型之一,生物体内的氧化还原平衡关系到生物机体的稳态平衡,并且许多细胞通路与生理过程都涉及到氧化还原反应。那么,如何实现对于某一个氧化还原的可视化进而深入研究具体的细胞生理过程呢?近日, 西北农林科技大学生命分析化学团队 通过设计开发了能够同时 检测羟基自由基(•OH)与半胱氨酸(Cys)的双位点荧光传感器 ,实现了对于生物体内两种活性物质的氧化还原反应可视化。
近年来,生物小分子的可视化检测引起了越来越多的关注,同时检测两种分析物的双位点荧光传感器的开发更是成为了分析化学研究的热点。能够实现同时检测两种相关生物小分子的双位点荧光传感器也为研究具体的生理过程提供了具有潜力的分析工具。双位点荧光传感器的合理设计与构建能够克服单位点荧光传感器功能性单一的缺点,也能有效地克服利用单位点荧光传感器联用分析的时空分布不均、分析难度大、荧光通道存在串扰等制约因素。另外,值得注意的是,目前关于同时检测羟基自由基与半胱氨酸的双位点荧光传感器的报道较少,这是由于这类型的荧光传感器一般存在特异性与独立性不足等缺点,这在一定程度上限制了双位点荧光传感器在可视化具体细胞内氧化还原反应的应用。
在生命体中,ROS通过和抗氧化酶以及抗氧化剂之间的氧化还原反应保持着浓度平衡,其中•OH作为最活跃的活性氧之一与Cys的动态平衡关系对于维持这种生命体生理稳态起着至关重要的作用。因此实时监测这两种生物活性物种在细胞及组织内的生理过程与浓度变化对生命体活性氧自动调控机制研究意义重大。本研究在酚噻嗪母核上引入•OH与Cys的特异性响应基团,通过与二者反应前后的不同荧光表现达到对它们的独立检测。此荧光传感器克服了其他检测方法在时空分布不均匀以及检测通道间存在串扰等一些缺点。 

图1. 双位点荧光传感器对•OH和Cys的响应机制。图片来源: J. Am. Chem. Soc.
本研究利用该传感器进一步探索了由大肠杆菌 ( E. coli ) 侵染和铁死亡诱导剂 (Erastin) 引发分别产生的活体小鼠与斑马鱼中•OH和Cys变化,研究了其氧化还原动力学反应。本研究提供了一个能可视化分析两个活性相反的生物物种浓度的检测工具,可为其他旨在深入研究生理和代谢过程的化学传感器的开发提供设计参考。

图2. 荧光传感器对细胞内•OH与Cys氧化还原反应的监测示意图。图片来源: J. Am. Chem. Soc.
这一成果近期发表在 Journal of the American Chemical Society 上,硕士研究生 康祖哲 、博士研究生 蒋晶晶涂琴 副教授为本论文共同第一作者,西北农林科技大学 袁茂森 教授和 王进义 教授、西北工业大学 王东恩 博士为共同通讯作者。
原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):
Dual-Site Chemosensor for Monitoring •OH-Cysteine Redox in Cells and In Vivo
Zuzhe Kang, Jingjing Jiang, Qin Tu, Shuaiting Liu, Yue Zhang, Dong-En Wang, Jinyi Wang, Mao-Sen Yuan
J. Am. Chem. Soc. , 2023 , 145 , 507–515, DOI: 10.1021/jacs.2c10855
作者简介

袁茂森 ,西北农林科技大学化学与药学院教授。2008年于山东大学取得博士学位后一直就职于西北农林科技大学,2012年至2013年在美国德州大学奥斯汀分校访学研究。
研究领域是面向农产品和生命体系的荧光检测新方法的构建和开发。在相关领域发表SCI论文50篇,包括 Chem. Mater.、 Anal. Chem.、 Sens. Actuators B Chem.、 Anal. Chim. Acta 等,获批国家发明专利2项。副主编撰写两部教材、获得省级教学成果一等奖(7/7)和二等奖(4/7),所建设课程《有机化学》获批国家级一流课程,2015年获得陕西省青年科技新星称号。 
https://www.x-mol.com/university/faculty/74777

王进义 ,西北农林科技大学化学与药学院教授,博士生导师,生命分析化学团队课题组长,化学与药学院院长。2002年于兰州大学取得博士学位,2004年至2006年美国加州大学洛杉矶分校进行博士后研究,2006年6月起就职于西北农林科技大学。
研究领域是分析化学新技术和新方法。在相关领域发表SCI论文150余篇,包括 Angew. Chem. Int. Ed.、 Anal. Chem.、 Lab Chip.、Biomaterials 等,获批国家发明专利7项,主编教材1部,参编英文专著2部。入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”,获评“陕西省优秀留学回国人员”,“陕西省敬业奉献类好人”,“全国优秀教师”等称号。

王东恩 ,西北工业大学生命学院讲师,硕士生导师。2017年于西北农林科技大学获得博士学位,2017年6月起入职西北工业大学生命学院。
主要研究方向为光学分子探针的设计、制备以及生物医学应用。近年来,在在 J. Mater. Chem. A、Nanoscale、Sens. Actuators B Chem. 等期刊发表SCI论文10余篇。获授权发明专利2项,参与译著英文教材一部。
科研思路分析
Q:这项研究最初是什么目的?或者说想法是怎么产生的?
A: 本课题团队致力于生命分析研究领域,特别是利用荧光传感器可视化特定的生物小分子从而研究具体的生命活动。在生命体中,ROS通过和抗氧化酶以及抗氧化剂之间的氧化还原反应保持着浓度平衡,其中•OH作为最活跃的活性氧之一与Cys的动态平衡关系对于维持这种生命体生理稳态起着至关重要的作用。因此实时监测这两种生物活性物种在细胞及组织内的生理过程与浓度变化对生命体活性氧自动调控机制研究意义重大。因此开发一种能够同时独立分析二者的荧光传感器对生命体中二者之间的氧化还原过程进行了动态监测,初步揭示了这两个生物活性物质在活性氧(ROS)平衡调控中所起的作用是我们这项研究的目的。
Q:在研究过程中遇到了哪些难题?
A: 本项研究最大的挑战是如何实现利用合理的设计实现同时检测羟基自由基与半胱氨酸,以实现对于二者细胞与活体内的独立可视化。在这个过程中,我们团队在荧光传感器开发方面的经验的累积起到了至关重要的作用,整个研究过程我们对荧光传感器进行了结构优化与检测条件的筛选,从而实现对于两个分析物同时检测的目的。
此外,这项研究涉及到了学科交叉,其中需要运用到不少的生物学知识。我们团队一直致力于生命分析领域,具有了一定的知识储备,但对于具体细胞通路的深入研究仍存在不小的挑战,未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。
Q:该研究成果可能有哪些重要的应用?
A: 如上所述,该研究目的本就是希望能够可视化羟基自由基与半胱氨酸在生命体氧化还原平衡调控中所起的作用,因此这样一个能够同时监测羟基自由基与半胱氨酸的双位点荧光传感器的成功开发为二者在具体的细胞通路或生理活动的作用研究提供了一个具有潜力的工具。我们希望这项研究成果能够对生命分析领域的荧光传感器的设计与构建提供一种可行的思路,对相关领域的发展产生一定的推动作用。
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