西北工业大学黄维院士/李林教授团队 Angew综述：用于FRET受体的小分子猝灭剂

Original 化学与材料科学化学与材料科学 2022-11-11

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高保真的荧光探针开启是检测生理过程、疾病诊断和生物学研究的重要工具。随着生物医学的发展，目标物的原位定点检测对精确的光学生物成像提出了更高的要求。Förster共振能量转移（FRET）是设计荧光开启探针并实现生化活性检测最为广泛使用的机制之一。猝灭剂（quenchers）通常指通过分子间的FRET机制高效地转移被激发的荧光团的能量，使得分子以非辐射方式返回基态，而过程中没有任何光子辐射的一类分子。小分子猝灭剂已被广泛用作FRET探针的受体，其可有效降低本底荧光信号的干扰，提高检测灵敏度，用于监测各种生理过程，如生物酶分析、肽和蛋白质折叠动力学研究、体内多色分析、预测分子间的距离，生物标记物实时成像等。

图1. 小分子猝灭剂的类型和基于FRET原理的传感分析设计。

近日，西北工业大学柔性电子前沿科学中心首席科学家黄维院士、李林教授团队联合空军军医大学助理教授张伟合作，在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上发表了题为“Small Molecule Quenchers for Förster Resonance Energy Transfer: Structure, Mechanism and Applications”的综述文章（DOI: 10.1002/anie.202207188）。系统介绍了基于FRET荧光探针中常用的猝灭剂，总结了构效关系，猝灭机理以及相应的生物应用，同时基于不同类型猝灭剂和荧光团的光学特性，为合理设计和选择合适的荧光团-猝灭剂提供了建议。展望了小分子猝灭剂及其生物医学应用中所面临的机遇和挑战，以期推动这一领域的进一步创新和生物医学应用拓展。西北工业大学柔性电子前沿科学中心（柔性电子研究院）博士研究生方斌，博士后沈玉和副教授彭勃为论文的共同第一作者。

图2. FRET基本理论。（a）荧光猝灭机制。（b）FRET满足条件。（c）FRET效率。（d）设计FRET实验。（e）FRET校准曲线。

该文章系统介绍了基于FRET原理的荧光探针设计中常用的猝灭剂，并对其光物理性质、猝灭机理以及相应的生物学应用进行了总结。根据化学结构，猝灭剂被进一步分为偶氮基猝灭剂（ABQs），罗丹明基猝灭剂（RBQs），花菁基猝灭剂（CBQ），及商用猝灭剂DNP & NBD，DYQs，ATTOs， BMNs，TQs，QXLs，DDQs，OQs，DQQs等等。着重讨论了其中BHQ-1/2/3、BBQ 650、QSY7/9/21、IRDye QC-1、DNP、ATTO 575、BMN-Q535、TQ2、QXL 520、DDQ I、OQ A/B、IBFQ等“黑洞”猝灭剂。

图3. 常见荧光团与猝灭剂类型总结。

同时，文章回顾FRET基本理论、FRET满足的条件及基于生物实验的FRET设计方案。光谱重叠是FRET对选择的主要考虑因素，对于不同的分析事件需求，可以根据FRET信号强度确定FRET分析标准曲线。对常用荧光团和猝灭剂的光谱进行了全面概述，总结荧光团的发射波段和猝灭剂的吸收带。对常用荧光团和猝灭剂的光谱进行了全面概述，总结了荧光团的发射波段和猝灭剂的吸收带，旨在为科学工作者选择合适的FRET模块提供有价值的参考。

图4. 常见猝灭剂的吸收光谱和分子结构。

论文信息

Bin Fang, Yu Shen, Bo Peng, Hua Bai, Limin Wang, Jiaxin Zhang, Wenbo Hu, Li Fu, Wei Zhang, Lin Li, Wei Huang. Small Molecule Quenchers for Förster Resonance Energy Transfer: Structure, Mechanism and Applications. Angewandte Chemie International Edition 2022, DOI: 10.1002/anie.202207188

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202207188

作者简介

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李林教授（通讯作者）李林教授课题组聚焦“线粒体检测与调控”的生物医学光子学研究，研究内容涵盖光子学/有机化学/生物医学工程，专注线粒体特异性的病理学生物体系显影新方法在早期诊疗和转化新药开发中的应用。研究成果在活体层面上分别揭示了小分子荧光探针在检测和调控蛋白质活性中的作用，同时在基因水平上阐述了该类光功能小分子生物功能调节剂在疾病诊断、信号转导和药物开发等生物医学领域的应用前景。迄今为止，在Nature Communications, Accounts of Chemical Research, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced materials, Chemical Society Reviews等期刊上以第一/通讯作者身份累计发表SCI收录论文140余篇，申请/授权专利46/17项，参与编撰专著《分子影像与精准诊断》一本；主持国家/省部级科研项目7项，参与企业委托项目3项。先后当选中国青年化学家-元素周期表Mc元素代言人，“中国生物医学工程学会生物医学光子学分会”青年副主委，“中国环境诱变剂学会活性氧生物学效应专业委员会”委员，《中国临床药理学与治疗学》青年编委，新加坡神经医学研究院（NNI）客座研究员。

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