借助细胞生命过程的生物标记新原理与新方法研究

Efficient transformation and acquisition of the biological/chemical information with high selectivity and sensitivity during bioprocesses remains a major challenge in bioanalytical chemistry, which therefore urgently requires development of novel biolabeling techniques for maximally preserving the bioactivity of subjects with minimum impairment. The present project not only innovatively proposes a new principle that the natural intracellular biochemical reactions are artificially designed and scientifically exploited for label synthesis and related biolabeling, but also introduces natural, facile and controllable label-synthesis and biolabeling methods based on the biosynthesis processes of living cells. By realizing elaborate conjugation of the designed label-synthesizing and/or biolabeling reactions with the inherent biochemical processes within cells, we aim to achieve facile and efficient labeling of specific molecules (microtubulin, motor protein, miRNA, etc.) within living cells, molecules of cell surface (caveolae-associated protein, membrane antigen/surface receptor, etc.), specific cellular organelles (lysosome, endosome, mitochondria, etc.), cell-derived components (cell-derived exosomes, microparticles, etc.), as well as other organisms with cell-dependent replication (such as live virus) with quantum dots or two-photon fluorescent probe, which may help to convert complicated and difficultly manipulated synthesis of labels and biolabeling into convenient cell culture procedures.

生命活动过程生物/化学信息有效转换和高选择高灵敏获取是生物分析化学面临的巨大挑战，亟待发展损伤小并能最大程度保持被标记对象生物活性的生物标记方法和技术。本项目突破传统思路，提出“人为设计并科学利用细胞内自然的生物化学反应和反应过程进行标记物合成及其生物标记”的新原理，基于活细胞创建合成及标记体系，发展自然、温和、可控的生物标记新方法与新技术。通过解决“所设计的标记物合成反应和/或标记反应与细胞内固有的生物化学反应和过程的科学耦合”之关键科学问题，实现量子点或双光子荧光染料对活细胞内某些特定分子（如微管蛋白、马达蛋白、miRNA等）、细胞表面分子（胞膜窖相关蛋白、膜抗原/表面受体等）、特定细胞器（溶酶体、内涵体、线粒体等）及细胞源性“组分”（如：细胞外泌体、细胞源性微粒等），以及借助细胞进行复制的其它生物体如活病毒等的温和高效标记，将复杂、难控的标记物合成和生物标记转变为简单的细胞培养操作。

生命活动过程生物/化学信息有效转换和高选择高灵敏获取是生物分析化学面临的巨大挑战，亟待发展损伤小并能最大程度保持被标记对象生物活性的生物标记方法和技术。本项目突破传统思路，提出“人为设计并科学利用细胞内自然的生物化学反应和反应过程进行标记物合成及其生物标记”的新原理，基于活细胞创建合成及标记体系，发展自然、温和、可控的生物标记新方法与新技术。通过解决“所设计的标记物合成反应和/或标记反应与细胞内固有的生物化学反应和过程的科学耦合”之关键科学问题，实现量子点对活细胞内某些特定分子、细胞源性“组分”（如：细胞外泌体、细胞源性微粒等），以及借助细胞进行复制的其它生物体如活病毒等的温和高效标记，将复杂、难控的标记物合成和生物标记转变为简单的细胞培养操作。在项目执行期内，项目组成员围绕“借助细胞生命过程的生物标记新原理与新方法研究”主题，在活细胞合成量子点及原位标记新方法，单病毒标记方法及实时动态示踪，细胞外囊泡的“自然嵌合”标记及临床转化等方面开展了系统性研究。在活细胞的细胞核中合成量子点具有原创性，活细胞合成-标记融合特色鲜明。发表学术论文 88 篇（其中 SCI 83 篇）。申请国家发明专利 5项（含授权专利 3项）。培养国家杰出青年科学基金获得者1位和国家优秀青年科学基金获得者1位。项目负责人2020年12月当选美国医学与生物工程院（American Institute for Medical and Biological Engineering, AIMBE）Fellow。