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生物物理所基于基因密碼子擴展及新型生物正交反應“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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  10月5日,《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)期刊以“Hot Article”的形式发表了中國科學院生物物理研究所王江云课题组题为S-click reaction for isotropic orientation of oxidases on electrodes to promote electron transfer at low potentials 的研究文章。文中報道了該課題組開發的基于基因密碼子擴展及新型生物正交反應“S-Click”方法改造氨基酸氧化酶,成功實現了氨基酸的快速、實時、精准的電化學檢測。

  氨基酸是重要的生理生化代謝與細胞信號分子,異常氨基酸代謝導致許多嚴重疾病,因此實時氨基酸分析對醫學、診斷及生命科學具有重要意義。隨著生命科學的不斷發展,在國際期刊上關于氨基酸在細胞代謝、基礎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,以及癌細胞的免疫逃逸都具有重要關聯。此外,色氨酸,甘氨酸,精氨酸,絲氨酸的代謝與腫瘤發生發展具有重要關系,已成爲重要的精准藥物靶點。目前對于氨基酸的檢測主要有光譜,液相色譜,酶聯顯色反應等,上述手段都難以對人體體液中的氨基酸實現實時、動態的分析,也正因爲缺乏一種對體液中氨基酸的快捷、實時、靈敏准確分析的手段,不但限制了對不同氨基酸與人類健康關系的進一步研究,而且錯失了通過對這種重要生理代謝基礎物質的監控來早期預警健康狀況的機會。

  改进酶电化学生物传感器(EEB)的重点之一是改善酶和电极之间的电子传递。在EEB中使用电子介体是一种改善电子传递的常用方法,但使用电子介体通常会导致相对于酶的原始氧化还原电位增加的过量电位,并且氧化还原介质通常是非选择性的,不仅促进了电极和蛋白质之间的电子转移,也促进了各种干扰分子的电子转移。此外,电子介体在活体分析领域的应用也存在诸多限制。利用纳米材料增强酶电极的电子转移为第3代生物传感器的实现做出了巨大贡献,但酶相对于电极表面的随机取向导致电子转移效率的较大变化。该研究通过基于基因密码子扩展的非天然氨基酸插入技术,位点特异性地将巯基苯丙氨酸(TF)插入到酶特定位点中,TF的巯基通过该研究发展的新型生物正交“S-Click”反应与连接分子(Bodipy373)的氯苯基团特异偶联,而连接分子通过π-π stacking组装到碳材料表面,实现不同氨基酸氧化酶在碳材料电极表面的定点偶联(如图2所示)。该团队开创的定点偶联体系(S-Click, 图2C),相比于目前主流的基于叠氮基-炔烃基“点击化学”的偶联体系,具有更好的反应活性与生物相容性,更符合开发可穿戴设备的需求。基于该技术制备的色氨酸氧化酶电极展现出了更高更均匀的酶负载,同时在电化学测试中也展现出了极低催化电位的色氨酸直接生物电催化(图3)。

  利用基于基因密碼子擴展的氨基酸生物電化學傳感器,團隊進一步在血液樣品及癌細胞培養體系中對色氨酸、甘氨酸進行了精准的實時原位動態檢測(圖4)。

  生物物理所研究员王江云为論文的通讯作者,副研究员夏霖为論文的第一作者。该工作得到国家自然科学基金、重点研发计划、中科院重点部署项目以及深圳市“三名”工程的资助。

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图1. 基于基因密码子扩展的氨基酸生物电化学传感器示意图

  图2. TrpOx-395TF-Bodipy373形成过程示意图:其中A)TrpOx的结构和TF插入的位置,并显示了TF和FAD之间的距离;B)为TrpOx从TF395位点通过Bodipy373接头到碳纳米管表面的连接示意图;C)为S-Click反应的示意图(S代表TF中的硫原子,Cl代表Bodipy373中的氯原子)。

图3. 蛋白修饰HOPG电极的原子力显微镜图像以及电化学循环伏安图(CV)

图4. 通过S-click定向偶联制备的色氨酸氧化酶电极的时间电流曲线表征,以及在血液样品及癌细胞培养体系中对色氨酸的实时原位动态检测

打印 責任編輯:葉瑞優

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