发展无金属的可见光引发的生物相容化学反应

Biocompatible (bioorthogonal) reactions are extensively utilized as chemical tools in biomolecule labeling and functional regulation. Light has high temporal and spatial resolution, which constitutes an ideal tool to study the dynamic biological processes in vivo. We recently developed visible-light-induced biomolecule-compatible reactions to enable various bond-forming and bond-cleavage reactions, which feature stable substrates, fast reaction kinetics, and external light modulation. However, the metal photocatalysts currently used is an obvious hurdle for the compatibility with living cells and organisms. Herein we propose to develop metal-free visible-light-induced reaction system featuring small molecule photocatalysts, protein photocatalysts, or photocatalyst-free photochemical system. We envision the precise labeling and modulation of dynamic process of biomolecules (including proteins, nucleic acids and sugars) in vivo will be enabled with the metal-free visible-light-induced reaction system.

生物相容（正交）化学反应被广泛应用于生物分子的化学标记及功能调控。光具有优异的时空分辨率，是原位研究动态生命过程的优秀工具。申请人前期发展了一系列可见光引发的生物大分子相容的成键与断键反应，可以解决目前生物相容反应速率慢、反应物不稳定、无法实现外部调控等局限。然而为了实现在细胞及活体水平中的应用，需要克服目前方法中金属光催化剂的使用。本培育项目拟发展无金属的可见光引发的生物相容化学反应，包括发展有机小分子光催化剂，蛋白光催化剂及无光敏剂的光反应体系。该类无金属的光化学反应将可以大大提高生物相容性，进而在细胞及活体水平中通过生物相容的成键断键反应对生物大分子动态修饰（包括蛋白质，核酸与糖类）进行高效特异性的标记与干预。

本项目致力于发展无金属的可见光引发的生物相容化学反应，进而在细胞及活体水平中通过生物相容的成键断键反应对生物大分子动态修饰（包括蛋白质，核酸与糖类）进行高效特异性的标记与干预。项目结题时发展了多种无金属的可见光引发的生物相容化学反应，并首次将可见光催化反应应用于活细胞中生物功能及膜蛋白的动态化学干预：1）可见光促进的无金属的硼酸酮酸加成反应可用于生物偶联反应；2）基于电子给受体复合物可以实现可见光引发的无金属的惰性键活化反应；3）实现了活细胞内的光催化生物相容反应。项目执行期间，在国际学术期刊发表项目标注的10篇论文。许多研究成果处于国际领先并引领国外内相关研究的方向，被邀请在上述研究方向撰写多篇综述及展望。