【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學院大連化學物理研究所生物技術研究部分子探針與熒光成像研究組(1818組)徐兆超研究員、喬慶龍副研究員團隊利用親水性醚鏈對羅丹明進行N端修飾，開發(fā)了一系列具有水中高亮度的醚鏈羅丹明染料。這類新型染料憑借其水中高亮度和低團聚特性，能夠有效降低活細胞內非靶向結合，在活細胞超分辨熒光成像中展現(xiàn)出高精度定位、高亮度和高信噪比的性能。
羅丹明染料因其獨特的非熒光螺內酯和熒光兩性離子之間的動態(tài)平衡轉換特性，能夠控制熒光的開啟和閃爍，這一特性使其在活細胞的熒光標記和超分辨熒光成像領域具有獨特優(yōu)勢。然而，傳統(tǒng)羅丹明染料一直存在水中亮度低和易團聚導致非靶向結合的問題。由于水環(huán)境是絕大多數(shù)生命活動的場所，因此提高羅丹明染料在水中的亮度和染色信噪比，成為開發(fā)超分辨成像染料亟待解決的關鍵問題。
研究表明，染料在水環(huán)境中的熒光淬滅主要源于三種機制：一是疏水性強的染料會產(chǎn)生聚集誘導淬滅；二是水分子的羥基伸縮振動會導致激發(fā)態(tài)染料的能量外轉換；三是在高極性的水環(huán)境中會出現(xiàn)嚴重的分子內扭轉電荷轉移(TICT)。雖然目前已有針對單一淬滅途徑的改善策略，但沒有既能同時解決這三種熒光淬滅問題，又保留羅丹明“聚集-解聚”介導的專一分子識別性能的解決方案。
在本工作中，研究團隊采用醚鏈對羅丹明的N取代基進行修飾，高水溶性的醚鏈能夠有效降低羅丹明在水中的聚集淬滅，醚鏈的吸電子性可降低TICT的驅動能，醚鏈在水中能形成包封共軛氧雜蒽部分的分子構象，抑制水-羅丹明相互作用，從而有效抑制水對羅丹明的淬滅。此外，醚鏈還能降低羅丹明的親脂性，有效抑制其在細胞中的非特異性結合，提高對靶標標記的準確性。
實驗結果顯示，與傳統(tǒng)親脂性N烷基羅丹明相比，基于醚鏈羅丹明衍生的HaloTag熒光探針在活細胞內的背景熒光顯著降低，信噪比與亮度均得到提升，在SIM動態(tài)成像和STED成像中表現(xiàn)突出。此外，醚鏈羅丹明衍生的溶酶體SMLM探針能夠實現(xiàn)細胞死亡過程中全細胞溶酶體的動態(tài)監(jiān)測，而透膜性較差的長醚鏈羅丹明則可實現(xiàn)細胞凋亡過程中細胞膜通透性變化的全過程監(jiān)測。
相關研究成果以“Ether Rhodamines with Enhanced Hydrophilicity,Fluorogenicity,and Brightness for Super-Resolution Imaging”為題，發(fā)表在《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)上。該工作的第一作者是我所1818組已畢業(yè)博士房香凝。研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊項目、我所創(chuàng)新基金等項目的資助。
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