共同第一作者：徐振创、王晨阳、何胜源

通讯作者：赵延川

通讯单位：中国科学院上海有机化学研究所

论文DOI：10.1002/anie.202417112

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该论文着重归纳总结了赵延川团队开发的一种¹⁹F标记的新型自组装核磁探针，这种探针通过与核苷酸等小分子结合，触发探针的解聚集过程的同时激活¹⁹F核磁共振信号，生成独特的信号指纹，进而实现多种代谢小分子的精确识别与检测。这项技术为生物机制研究、酶动力学分析、药物筛选及疾病诊断等领域提供了新的解决方案。

图1. 基于¹⁹F NMR的传感策略的示意图。a) 解簇集以进行多组分检测。b)¹⁹F标记探针和生物小分子分析物的结构。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

背景介绍

随着生物技术的飞速发展，实时、原位的生物过程监测在推动科学发现和技术进步中扮演着至关重要的角色。不断发展的检测技术革命性地提升了我们对复杂生物过程的理解，促进了工艺优化、质量控制，并为跨学科应用铺平了道路。尽管在分子层面对生物机制、代谢途径、毒性药效等研究至关重要，传统监测方法在应对复杂的生物基质及结构相似的分析物时，常面临灵敏度和分辨率的限制，影响了检测结果的准确性。将¹⁹F NMR与信号传感体系结合能够减少背景干扰，提高检测灵敏度，为生物代谢小分子检测提供高效的分析检测工具。

中国科学院有机化学研究所赵延川研究团队长期致力于含氟核磁探针对小分子的检测研究 (Chem. Rev. 2019, 119 , 195; Chem. Rec. 2023, e202300031)。团队发展了识别赋能色谱核磁，将含氟探针与不同结构的小分子相互作用产生的特征氟谱信号，用于小分子区分检测，从而在不经分离的情况下产生类似HPLC的检测效果。这一检测方法不仅可以用于高灵敏度复杂体系分析检测 (Anal. Chem. 2021, 93, 2968; Anal. Chem. 2022, 94, 8024; JACS 2022, 144, 2281; Anal. Chem. 2024, 96, 6463), 也可以用于手性醇，胺，羧酸，腈等化合物的对映体组成分析及绝对构型判定(Cell Rep. Phys. Sci. 2020, 1, 100100; Anal. Chem. 2022, 94, 2023; Anal. Chem. 2022, 94, 8285; Anal. Chem. 2023, 95, 7569; Anal. Chem. 2023, 95, 10362; JACS Au 2023, 3,
1348; Anal. Chem. 2024, 96, 730; Anal. Chem. 2024, 96, 1144; Anal. Chem. 2024, 96,13551)。

研究出发点

这项研究旨在开发水溶性的¹⁹F标记探针用于各种核苷酸的检测。核苷酸是生化途径的核心分子，作为代谢中间体对能量传递、细胞信号传导发挥重要作用，并且作为遗传物质及部分酶辅因子结构的基本单元。鉴于核苷酸在细胞和生化过程中发挥的关键作用，开发精确的核苷酸检测方法至关重要。这些方法将大大提升了人们对细胞功能的理解，有助于早期疾病诊断和靶向治疗方案的制定。

研究内容

研究团队设计了一种带有聚乙二醇 (PEG) 链的含氟钳形钯络合物探针，该探针能够特异性识别N-杂环化合物。PEG链的引入显著提高了探针在水溶液中的溶解性，但由于其两亲性，探针在水溶液中会发生自组装聚集。当探针与分析物发生相互作用时，这种聚集态会被破坏，探针逐渐解聚，从而延长其T₂弛豫时间并增强¹⁹F信号 (图1a)。通过将¹⁹F标记精确定位在结合位点附近，氟原子可以敏锐感知络合位点周围的微小化学环境变化，进而生成特征性的核磁共振指纹信号，实现对不同分析物的区分 (图1b)。此外，探针的自组装行为显著降低了其与生物大分子的非特异性相互作用，从而展现出优异的稳定性和选择性。

传统检测方法在面对复杂的生物样品时，难以区分结构相似的分子。而这种新型探针通过其自组装和解聚机制，能够在与不同生物分子结合时，产生独特的¹⁹F NMR指纹信号，精确识别和区分多种分析物。以核苷酸为例，探针能够同时识别并区分出八种常见的DNA和RNA组成单元，包括AMP、GMP、CMP、UMP等。不同核苷酸产生各自独特的¹⁹F信号，因而在复杂混合物中依然能够准确区分每种组分 (图2)。作者还评估了蛋白质等生物大分子对检测的影响，结果表明，即使在存在蛋白质等干扰物质的情况下，探针仍能保持良好的检测性能。此外，通过添加内标分析物，这一检测方法可以实现对样品中的组分进行定量分析，进一步增强了其在实际生物样品检测中的应用潜力。

图2. 利用含氟探针检测生物代谢小分子。

以ATP水解酶检测为例，探针与ATP、ADP和AMP分别结合后，产生独特的¹⁹F NMR信号，通过这些信号的强度和变化，可以精确跟踪ATP在Apyrase催化下的逐步水解过程。随着反应的进行，ATP信号逐渐减弱，ADP信号先增加后减弱，AMP信号则持续增强，这验证了Apyrase的分步水解机制 (图3)。此外，通过对不同来源的Apyrase样品进行检测，这一体系能够区分其ATPase/ADPase活性，证实了其在酶质量评价中的实用性。这一¹⁹F标记探针为酶促反应的实时监测提供了高效的工具，不仅能够准确评估酶活性，还能用于药物筛选和质量控制。随着这一技术的广泛应用，它将在疾病诊断和生物技术领域发挥更大的作用。

图3. 多步酶促反应的原位检测。a) Apyrase催化的ATP水解。b) ¹⁹F
NMR原位监测Apyrase催化的ATP水解过程。与ATP、ADP和AMP相关的NMR信号分别用蓝色、绿色和黄色虚线标记。c) 来自不同商业来源的Apyrases的蛋白质凝胶分析。d-f) 不同商业来源的Apyrase催化的ATP水解反应中，¹⁹FNMR原位监测ATP、ADP和AMP的浓度变化曲线。

总结与展望

本研究介绍了一种基于¹⁹F NMR的自组装检测体系，用于生物代谢小分子的实时原位检测。该方法能够有效区分并定量多种分析物，对蛋白质活性的影响小，适用于动力学研究和酶学分析，包括质量评估和抑制剂验证。其在磷酸酶和己糖激酶中的应用突显了其潜力。这项技术有望在增强疾病诊断、药物开发以及生物技术产品质量控制方面发挥重要作用。未来的研究可以扩大其在更广泛的生物过程和分子相互作用中的应用，开辟新的诊断工具和治疗策略的途径。

课题组介绍

赵延川研究员，2007年本科毕业于吉林大学化学系，2012年获中科院上海有机化学研究所理学博士学位，之后在美国麻省理工学院化学系从事博士后研究。2017年5月加入中国科学院上海有机化学研究所先进氟氮材料重点实验室，任课题组长。在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Rev., Cell Reports Phy. Sci., JACS Au, Anal. Chem. Macromolecules等学术刊物发表论文70余篇。研究团队一直致力于基于时空维度调控的新型有机功能分子的研究。发展了基于分子识别的色谱核磁共振分析方法，检测中无需分离，无需标记，实时在线地得到类似于色谱峰的检测信号，精准对应复杂体系中的各个组分。发展了新型仿生离子受体—calix[4]trap (杯芳烃离子阱)，其具有目前文献报道最高的K⁺/Na⁺选择性。课题组近期计划招收博士后1名，从事磁共振和核医学影像方面的研究，欢迎有志于从事相关研究的优秀人才加入。