这周带来一篇nature chemistry上的一篇文章，Site-selective tyrosine bioconjugation via photoredox catalysis for native-to-bioorthogonal protein transformation，文章的通讯作者是来自美国普林斯顿大学的David W. C. MacMillan，他实验室的研究集中在有机合成和催化领域。

      通过化学方法对蛋白质进行修饰后，可以应用于细胞追踪、成像、生物材料和药物治疗等领域，所以通过化学技术或偶联策略进行高效率的、高度选择性地修饰结构复杂的蛋白质成为了热点，例如利用生物正交合成（BOS）在特定氨基酸位点引入功能性官能团等。近些年的研究已经不再局限于传统的亲核-亲电试剂方法，转而采用高度特异的点击配对偶联反应，这种偶联反应可以应用于传统的赖氨酸和半胱氨酸以外的其他氨基酸，例如末端氨基酸、酪氨酸、色氨酸和甲硫氨酸等。光催化被证明是一个独特的策略，用于开发位点选择性、官能团特异性的偶联方法。所以本文作者想将光催化策略应用于位置选择性的蛋白质的小分子偶联，如果这种方法成功的话，通过一步化学反应就可以实现野生型蛋白质小分子偶联，而无需基因工程和非天然氨基酸的引入，将极大简化化学修饰蛋白质的制备，具有非常广泛的应用前景。

      作者设计的一步“天然生物正交”蛋白质修饰策略细节如图所示，作者选择了酪氨酸作为光催化选择性生物结合的位点，因为酪氨酸（Tyr）已知可以在多种条件下发生氧化偶联；并且作为一种两亲性的氨基酸，酪氨酸广泛存在于亲水和疏水微环境中，所以适合于广泛的化学偶联。作者在之前研究的基础上，开发了以苯恶嗪衍生分子作为多功能的偶联试剂与酪氨酸侧链反应，既可以进行内源性蛋白质标记，也可以在此后应用于生物正交合成。他们确定了两个分子设计的关键的标准：一，不仅具有酪氨酸残基反应特异性，而且在天然蛋白质的不同酪氨酸残基之间具有差异反应性，二是在随后的衍生化中引入多功能的生物正交基团。

      考虑到这些标准，作者设计了10氢-吩恶嗪-3,7-二甲醛。它含有的芳香醛结构，在生物相容性条件下，可以与多种分子发生低效缩合，可以用于引入多功能的生物正交基团。并且，该结构会延伸苯恶嗪π-共轭作用，可以使任何修饰的蛋白质加合物产生荧光。通过这种苯恶嗪双醛设计，作者实现了活性蛋白酪氨酸选择行化学官能团偶联方法的开发。作者首先对该反应的条件、溶剂等进行了筛选，得到了95%的高转化率反应条件；然后以十余种含有酪氨酸的天然蛋白为模型，实现了多种蛋白质酪氨酸位点选择性生物结合；作者还通过时间分辨瞬态吸收光谱对不同酪氨酸位点的反应选择性进行测定分析；作者还分别引入了生物正交的基团，例如biotin，炔基，叠氮和荧光集团等，从而实现功能研究。作者为了证明光催化氧化剂的温和性和此策略的生物相容性，对所有酪氨酸修饰前后的蛋白质进行圆二色谱测定，他们的反应后的二级结构都无变化；并且反应偶联产物苯酚-吩恶嗪双醛结合物显示荧光，除了用于测量反应效率外，还可以用于在复杂的细胞环境中跟踪这些加和反应过程，可以应用于更广泛的研究中。

    总之，作者发展的光催化技术实现了内源性标记技术和生物正交标记技术的结合。可以在水溶液中温和条件下将苯恶嗪二醛选择性地偶联到多种天然蛋白质的特定酪氨酸残基上。该方法极高的化学选择特性，从一个复杂蛋白质上的26个酪氨酸残基中选择标记一个酪氨酸的能力，说明了微环境对侧链固有的局部电子和亲酸性的显著影响。这种策略具有非常广泛的应用前景。

本文作者：ZYL

责任编辑：Guo ZH

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-021-00733-y

原文引用：DOI：10.1038/s41557-021-00733-y