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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

首頁(yè) > 科研進(jìn)展

生物物理所基于基因密碼子擴(kuò)展及新型生物正交反應(yīng)“S-Click”方法改造氨基酸氧化酶

2019-10-09 生物物理研究所

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語(yǔ)音播報(bào)

　　10月5日，《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）期刊以“Hot Article”的形式發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所王江云課題組題為S-click reaction for isotropic orientation of oxidases on electrodes to promote electron transfer at low potentials 的研究文章。文中報(bào)道了該課題組開(kāi)發(fā)的基于基因密碼子擴(kuò)展及新型生物正交反應(yīng)“S-Click”方法改造氨基酸氧化酶，成功實(shí)現(xiàn)了氨基酸的快速、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的電化學(xué)檢測(cè)。

　　氨基酸是重要的生理生化代謝與細(xì)胞信號(hào)分子，異常氨基酸代謝導(dǎo)致許多嚴(yán)重疾病，因此實(shí)時(shí)氨基酸分析對(duì)醫(yī)學(xué)、診斷及生命科學(xué)具有重要意義。隨著生命科學(xué)的不斷發(fā)展，在國(guó)際期刊上關(guān)于氨基酸在細(xì)胞代謝、基礎(chǔ)病理方面的重要性研究日漸增多，例如色氨酸的代謝，與精神疾病，免疫疾病，以及癌細(xì)胞的免疫逃逸都具有重要關(guān)聯(lián)。此外，色氨酸，甘氨酸，精氨酸，絲氨酸的代謝與腫瘤發(fā)生發(fā)展具有重要關(guān)系，已成為重要的精準(zhǔn)藥物靶點(diǎn)。目前對(duì)于氨基酸的檢測(cè)主要有光譜，液相色譜，酶聯(lián)顯色反應(yīng)等，上述手段都難以對(duì)人體體液中的氨基酸實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的分析，也正因?yàn)槿狈σ环N對(duì)體液中氨基酸的快捷、實(shí)時(shí)、靈敏準(zhǔn)確分析的手段，不但限制了對(duì)不同氨基酸與人類健康關(guān)系的進(jìn)一步研究，而且錯(cuò)失了通過(guò)對(duì)這種重要生理代謝基礎(chǔ)物質(zhì)的監(jiān)控來(lái)早期預(yù)警健康狀況的機(jī)會(huì)。

　　改進(jìn)酶電化學(xué)生物傳感器（EEB）的重點(diǎn)之一是改善酶和電極之間的電子傳遞。在EEB中使用電子介體是一種改善電子傳遞的常用方法，但使用電子介體通常會(huì)導(dǎo)致相對(duì)于酶的原始氧化還原電位增加的過(guò)量電位，并且氧化還原介質(zhì)通常是非選擇性的，不僅促進(jìn)了電極和蛋白質(zhì)之間的電子轉(zhuǎn)移，也促進(jìn)了各種干擾分子的電子轉(zhuǎn)移。此外，電子介體在活體分析領(lǐng)域的應(yīng)用也存在諸多限制。利用納米材料增強(qiáng)酶電極的電子轉(zhuǎn)移為第3代生物傳感器的實(shí)現(xiàn)做出了巨大貢獻(xiàn)，但酶相對(duì)于電極表面的隨機(jī)取向?qū)е码娮愚D(zhuǎn)移效率的較大變化。該研究通過(guò)基于基因密碼子擴(kuò)展的非天然氨基酸插入技術(shù)，位點(diǎn)特異性地將巰基苯丙氨酸（TF）插入到酶特定位點(diǎn)中，TF的巰基通過(guò)該研究發(fā)展的新型生物正交“S-Click”反應(yīng)與連接分子（Bodipy373）的氯苯基團(tuán)特異偶聯(lián)，而連接分子通過(guò)π-π stacking組裝到碳材料表面，實(shí)現(xiàn)不同氨基酸氧化酶在碳材料電極表面的定點(diǎn)偶聯(lián)（如圖2所示）。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)的定點(diǎn)偶聯(lián)體系（S-Click, 圖2C），相比于目前主流的基于疊氮基-炔烴基“點(diǎn)擊化學(xué)”的偶聯(lián)體系，具有更好的反應(yīng)活性與生物相容性，更符合開(kāi)發(fā)可穿戴設(shè)備的需求?；谠摷夹g(shù)制備的色氨酸氧化酶電極展現(xiàn)出了更高更均勻的酶負(fù)載，同時(shí)在電化學(xué)測(cè)試中也展現(xiàn)出了極低催化電位的色氨酸直接生物電催化（圖3）。

　　利用基于基因密碼子擴(kuò)展的氨基酸生物電化學(xué)傳感器，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在血液樣品及癌細(xì)胞培養(yǎng)體系中對(duì)色氨酸、甘氨酸進(jìn)行了精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)原位動(dòng)態(tài)檢測(cè)（圖4）。

　　生物物理所研究員王江云為論文的通訊作者，副研究員夏霖為論文的第一作者。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目以及深圳市“三名”工程的資助。

　　文章鏈接

圖1. 基于基因密碼子擴(kuò)展的氨基酸生物電化學(xué)傳感器示意圖

　　圖2. TrpOx-395TF-Bodipy373形成過(guò)程示意圖：其中A）TrpOx的結(jié)構(gòu)和TF插入的位置，并顯示了TF和FAD之間的距離；B）為T(mén)rpOx從TF395位點(diǎn)通過(guò)Bodipy373接頭到碳納米管表面的連接示意圖；C）為S-Click反應(yīng)的示意圖（S代表TF中的硫原子，Cl代表Bodipy373中的氯原子）。

圖3. 蛋白修飾HOPG電極的原子力顯微鏡圖像以及電化學(xué)循環(huán)伏安圖（CV）

圖4. 通過(guò)S-click定向偶聯(lián)制備的色氨酸氧化酶電極的時(shí)間電流曲線表征，以及在血液樣品及癌細(xì)胞培養(yǎng)體系中對(duì)色氨酸的實(shí)時(shí)原位動(dòng)態(tài)檢測(cè)

　　10月5日，《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）期刊以“Hot Article”的形式發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所王江云課題組題為S-click reaction for isotropic orientation of oxidases on electrodes to promote electron transfer at low potentials 的研究文章。文中報(bào)道了該課題組開(kāi)發(fā)的基于基因密碼子擴(kuò)展及新型生物正交反應(yīng)“S-Click”方法改造氨基酸氧化酶，成功實(shí)現(xiàn)了氨基酸的快速、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的電化學(xué)檢測(cè)。
　　氨基酸是重要的生理生化代謝與細(xì)胞信號(hào)分子，異常氨基酸代謝導(dǎo)致許多嚴(yán)重疾病，因此實(shí)時(shí)氨基酸分析對(duì)醫(yī)學(xué)、診斷及生命科學(xué)具有重要意義。隨著生命科學(xué)的不斷發(fā)展，在國(guó)際期刊上關(guān)于氨基酸在細(xì)胞代謝、基礎(chǔ)病理方面的重要性研究日漸增多，例如色氨酸的代謝，與精神疾病，免疫疾病，以及癌細(xì)胞的免疫逃逸都具有重要關(guān)聯(lián)。此外，色氨酸，甘氨酸，精氨酸，絲氨酸的代謝與腫瘤發(fā)生發(fā)展具有重要關(guān)系，已成為重要的精準(zhǔn)藥物靶點(diǎn)。目前對(duì)于氨基酸的檢測(cè)主要有光譜，液相色譜，酶聯(lián)顯色反應(yīng)等，上述手段都難以對(duì)人體體液中的氨基酸實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的分析，也正因?yàn)槿狈σ环N對(duì)體液中氨基酸的快捷、實(shí)時(shí)、靈敏準(zhǔn)確分析的手段，不但限制了對(duì)不同氨基酸與人類健康關(guān)系的進(jìn)一步研究，而且錯(cuò)失了通過(guò)對(duì)這種重要生理代謝基礎(chǔ)物質(zhì)的監(jiān)控來(lái)早期預(yù)警健康狀況的機(jī)會(huì)。
　　改進(jìn)酶電化學(xué)生物傳感器（EEB）的重點(diǎn)之一是改善酶和電極之間的電子傳遞。在EEB中使用電子介體是一種改善電子傳遞的常用方法，但使用電子介體通常會(huì)導(dǎo)致相對(duì)于酶的原始氧化還原電位增加的過(guò)量電位，并且氧化還原介質(zhì)通常是非選擇性的，不僅促進(jìn)了電極和蛋白質(zhì)之間的電子轉(zhuǎn)移，也促進(jìn)了各種干擾分子的電子轉(zhuǎn)移。此外，電子介體在活體分析領(lǐng)域的應(yīng)用也存在諸多限制。利用納米材料增強(qiáng)酶電極的電子轉(zhuǎn)移為第3代生物傳感器的實(shí)現(xiàn)做出了巨大貢獻(xiàn)，但酶相對(duì)于電極表面的隨機(jī)取向?qū)е码娮愚D(zhuǎn)移效率的較大變化。該研究通過(guò)基于基因密碼子擴(kuò)展的非天然氨基酸插入技術(shù)，位點(diǎn)特異性地將巰基苯丙氨酸（TF）插入到酶特定位點(diǎn)中，TF的巰基通過(guò)該研究發(fā)展的新型生物正交“S-Click”反應(yīng)與連接分子（Bodipy373）的氯苯基團(tuán)特異偶聯(lián)，而連接分子通過(guò)π-π stacking組裝到碳材料表面，實(shí)現(xiàn)不同氨基酸氧化酶在碳材料電極表面的定點(diǎn)偶聯(lián)（如圖2所示）。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)的定點(diǎn)偶聯(lián)體系（S-Click, 圖2C），相比于目前主流的基于疊氮基-炔烴基“點(diǎn)擊化學(xué)”的偶聯(lián)體系，具有更好的反應(yīng)活性與生物相容性，更符合開(kāi)發(fā)可穿戴設(shè)備的需求?；谠摷夹g(shù)制備的色氨酸氧化酶電極展現(xiàn)出了更高更均勻的酶負(fù)載，同時(shí)在電化學(xué)測(cè)試中也展現(xiàn)出了極低催化電位的色氨酸直接生物電催化（圖3）。
　　利用基于基因密碼子擴(kuò)展的氨基酸生物電化學(xué)傳感器，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在血液樣品及癌細(xì)胞培養(yǎng)體系中對(duì)色氨酸、甘氨酸進(jìn)行了精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)原位動(dòng)態(tài)檢測(cè)（圖4）。
　　生物物理所研究員王江云為論文的通訊作者，副研究員夏霖為論文的第一作者。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目以及深圳市“三名”工程的資助。
　　文章鏈接
　　圖1. 基于基因密碼子擴(kuò)展的氨基酸生物電化學(xué)傳感器示意圖
　　圖2. TrpOx-395TF-Bodipy373形成過(guò)程示意圖：其中A）TrpOx的結(jié)構(gòu)和TF插入的位置，并顯示了TF和FAD之間的距離；B）為T(mén)rpOx從TF395位點(diǎn)通過(guò)Bodipy373接頭到碳納米管表面的連接示意圖；C）為S-Click反應(yīng)的示意圖（S代表TF中的硫原子，Cl代表Bodipy373中的氯原子）。
　　圖3. 蛋白修飾HOPG電極的原子力顯微鏡圖像以及電化學(xué)循環(huán)伏安圖（CV）
　　圖4. 通過(guò)S-click定向偶聯(lián)制備的色氨酸氧化酶電極的時(shí)間電流曲線表征，以及在血液樣品及癌細(xì)胞培養(yǎng)體系中對(duì)色氨酸的實(shí)時(shí)原位動(dòng)態(tài)檢測(cè)
　　

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