推荐一篇发表在 nature chemistry 上的文章，文章标题是“Targeted activation in localized protein environments via deep red photoredox catalysis”。其通讯作者是来自哥伦比亚化学系的Tomislav Rovis教授。主要从事不对称催化，有机催化以及有机金属化学方面的研究。

化学生物学中的光活化策略提供了生物过程的时空控制和可视化。然而，使用高能光（λ<500 nm）可能导致光活性小分子探针的非特异性背景活化并降低其在复杂生物环境中的功效。因此开发新的靶向激活策略对于揭示临床应用的基本生物过程至关重要。基于此，本文作者描述了通过深红光（λ = 660 nm）氧化还原催化芳基叠氮化物活化物的发展及其在光催化接近标记中的应用。

芳基叠氮化物作为一种光亲和力标签（PAL）广泛使用在许多基于化学生物学的应用，例如：光脱笼、蛋白质偶联、蛋白质交联和酶介导的蛋白质标记。这些可以通过紫外线（UV）或可见光照射激活芳基叠氮化物的能力以实现标记，脱笼或共轭（图1a）。然而，非选择性/背景标记，对高能光的要求以及从当前的光活化方法产生多种反应途径等方面限制了下游生物应用。因此，能够直接光解对以空间控制方式活化芳基叠氮化物的低能量光驱动技术则更为可取。锇光催化剂能够通过ET和EnT收集低能光以促进合成反应。作者开发了一种新的低能耗光催化平台，基于DR光的催化剂锇复合物结合在靶向蛋白上，用于通过生成三重态氮烯进行生物分子标记（图1d）。

图1. 芳基叠氮化物在化学生物学中的选择性和针对性使用需要低能光。

为了研究蓝光照射对背景叠氮化物活化物的影响，作者使用非氟叠氮化物3进行诱捕实验，已知其在光解时形成烯酮亚胺中间体。结果发现，用 468 nm LED 直接照射，氮杂化合物4的产率为85%，苯胺产率为5%，加入锇光催化剂（7）后，氮杂化合物4的产率为5%，苯胺产率为85%。用660 nm LED照射加入锇光催化剂7的叠氮化物时，观察到3至5的50%转化率。这表明，使用蓝光时存在背景反应性，在红光照射下则没有背景活化（图2a）。作者进一步发现，这种苯胺还原方法在PFAA的环境下显示出广泛的底物相容性（图2d），例如：苯甲酰胺（12），苯甲醇（13），腈（14），生物素（15），糖（16-19）和色胺（20）底物等简单官能团。此外，烷基叠氮化物（21）和炔烃（22）等生物正交基团也是不反应的。

图2 DR光氧化还原催化克服了芳基叠氮化物的基本光解局限性。

接下来，作者进行了密度泛函理论（DFT）计算，以阐明三重态硝烯的潜在机制。ET转移机制在能量上是有利的，因为还原的叠氮（26）可以通过溶剂化和氟化作用高度稳定（图3a）。此外，电子转移到叠氮化物会导致N₂从还原叠氮化物中最快解离（图 3b），并且如预期的那样，去掉N₂是高度放热的（图3a）。随后通过7的催化，还原氮烯（27）再氧化放热，然后暴露出三重态氮烯（28）。因此，作者提出光氧化还原催化的逐步还原-解离-氧化途径（图3c），利用带电中间体的稳定性，形成三重态氮烯（28）。

图3：计算分析揭示了三重态氮烯形成的氧化还原中性电子转移途径。

为了进一步确认三重态氮烯途径，作者比较了甲苯（图4，上）和二甲基亚砜（图4，下）在蓝光和DR光下光解的产物分布。在甲苯存在下，8的UV光解产生芳基和苄基氨基化的混合物（分别为29和30），而DR光氧化还原方法仅产生来自甲苯的苄基C-H插入产物以及偶氮苯31，这表明三重态氮烯的形成。在二甲基亚砜中8的蓝光光解导致磺亚砜32的产生，而DR光氧化还原方法则产生31和32的1：1混合物。这些结果表明，DR光氧化还原方法通过氧化还原机制能够以低能光形成高能氮烯，由此产生的三重态全氟芳基硝基三元化合物具有与其单线态对应物相似的反应性。

图4：单线态和三线态全氟芳基硝烯之间存在机械差异。

确定了诱导各种PFAA活化的DR光氧化还原条件后，作者接下来研究了该方法在水缓冲液条件下实现共价蛋白质标记的应用。作者将碳酸酐酶（CA）和PFAA生物素（15）与含有炔的锇光催化剂相结合，然后使用红光（660 nm）照射（图 5a）。在光催化剂和红光存在下观察到CA的生物素化，而没有光或没有光催化剂使用红光不会诱导生物素化（图5b）。此外，作者研究了蛋白质标记使用红光的曝光时间，并观察到生物素化水平随着时间增加而增加，证实了该标记系统的光依赖性（图5c）。

图5：DR光介导的蛋白质标记。

为了证明DR光氧化还原技术能够在基于细胞的系统中实现蛋白质环境的靶向标记。作者选择癌细胞表面高度表达的EpCAM来测试活癌细胞表面靶向蛋白质标记的概念，其可以使用可用的抗体工具轻松靶向，以局部递送锇炔光催化剂。因此，作者用锇光催化剂在三种不同的HCT116细胞系统中靶向EpCAM，然后用DR光照射以诱导细胞表面生物素化，以进行下游蛋白质富集，基于MS的蛋白质组学和生物信息学分析（图6a）。使用由α-EpCAM的一抗和用锇炔光催化剂标记的二抗组成的双抗体系统对EpCAM进行靶向标记。用一抗和二抗标记HCT116细胞，然后加入PFAA生物素和DR光照射。蛋白质印迹分析显示蛋白质生物素化增加，并且与照射时间高度相关（图6b）。总的来说，这些结果突出了锇光催化剂系统在活细胞环境中进行分析的兼容性。

图6：细胞环境的DR光介导光催化标记。

综上所述，作者证明了芳基叠氮化物通过氧化还原为中心的机制转化为三重态氮烯，并表明其空间定位形成需要红光和光催化剂靶向模式。该技术应用于不同的结肠癌细胞系统上皮细胞粘附分子（EpCAM）的靶向蛋白质环境标记。

文章作者：ZY

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41557-022-01057-1

责任编辑：LD