10月5日，《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）期刊以“Hot Article”的形式發(fā)表了中國科學(xué)院生物物理研究所王江云課題組題為S-click reaction for isotropic orientation of oxidases on electrodes to promote electron transfer at low potentials 的研究文章。文中報道了該課題組開發(fā)的基于基因密碼子擴(kuò)展及新型生物正交反應(yīng)“S-Click”方法改造氨基酸氧化酶，成功實現(xiàn)了氨基酸的快速、實時、精準(zhǔn)的電化學(xué)檢測。
　　氨基酸是重要的生理生化代謝與細(xì)胞信號分子，異常氨基酸代謝導(dǎo)致許多嚴(yán)重疾病，因此實時氨基酸分析對醫(yī)學(xué)、診斷及生命科學(xué)具有重要意義。隨著生命科學(xué)的不斷發(fā)展，在國際期刊上關(guān)于氨基酸在細(xì)胞代謝、基礎(chǔ)病理方面的重要性研究日漸增多，例如色氨酸的代謝，與精神疾病，免疫疾病，以及癌細(xì)胞的免疫逃逸都具有重要關(guān)聯(lián)。此外，色氨酸，甘氨酸，精氨酸，絲氨酸的代謝與腫瘤發(fā)生發(fā)展具有重要關(guān)系，已成為重要的精準(zhǔn)藥物靶點。目前對于氨基酸的檢測主要有光譜，液相色譜，酶聯(lián)顯色反應(yīng)等，上述手段都難以對人體體液中的氨基酸實現(xiàn)實時、動態(tài)的分析，也正因為缺乏一種對體液中氨基酸的快捷、實時、靈敏準(zhǔn)確分析的手段，不但限制了對不同氨基酸與人類健康關(guān)系的進(jìn)一步研究，而且錯失了通過對這種重要生理代謝基礎(chǔ)物質(zhì)的監(jiān)控來早期預(yù)警健康狀況的機(jī)會。
　　改進(jìn)酶電化學(xué)生物傳感器（EEB）的重點之一是改善酶和電極之間的電子傳遞。在EEB中使用電子介體是一種改善電子傳遞的常用方法，但使用電子介體通常會導(dǎo)致相對于酶的原始氧化還原電位增加的過量電位，并且氧化還原介質(zhì)通常是非選擇性的，不僅促進(jìn)了電極和蛋白質(zhì)之間的電子轉(zhuǎn)移，也促進(jìn)了各種干擾分子的電子轉(zhuǎn)移。此外，電子介體在活體分析領(lǐng)域的應(yīng)用也存在諸多限制。利用納米材料增強(qiáng)酶電極的電子轉(zhuǎn)移為第3代生物傳感器的實現(xiàn)做出了巨大貢獻(xiàn)，但酶相對于電極表面的隨機(jī)取向?qū)е码娮愚D(zhuǎn)移效率的較大變化。該研究通過基于基因密碼子擴(kuò)展的非天然氨基酸插入技術(shù)，位點特異性地將巰基苯丙氨酸（TF）插入到酶特定位點中，TF的巰基通過該研究發(fā)展的新型生物正交“S-Click”反應(yīng)與連接分子（Bodipy373）的氯苯基團(tuán)特異偶聯(lián)，而連接分子通過π-π stacking組裝到碳材料表面，實現(xiàn)不同氨基酸氧化酶在碳材料電極表面的定點偶聯(lián)（如圖2所示）。該團(tuán)隊開創(chuàng)的定點偶聯(lián)體系（S-Click, 圖2C），相比于目前主流的基于疊氮基-炔烴基“點擊化學(xué)”的偶聯(lián)體系，具有更好的反應(yīng)活性與生物相容性，更符合開發(fā)可穿戴設(shè)備的需求?；谠摷夹g(shù)制備的色氨酸氧化酶電極展現(xiàn)出了更高更均勻的酶負(fù)載，同時在電化學(xué)測試中也展現(xiàn)出了極低催化電位的色氨酸直接生物電催化（圖3）。
　　利用基于基因密碼子擴(kuò)展的氨基酸生物電化學(xué)傳感器，團(tuán)隊進(jìn)一步在血液樣品及癌細(xì)胞培養(yǎng)體系中對色氨酸、甘氨酸進(jìn)行了精準(zhǔn)的實時原位動態(tài)檢測（圖4）。
　　生物物理所研究員王江云為論文的通訊作者，副研究員夏霖為論文的第一作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金、重點研發(fā)計劃、中科院重點部署項目以及深圳市“三名”工程的資助。
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　　圖1. 基于基因密碼子擴(kuò)展的氨基酸生物電化學(xué)傳感器示意圖
　　圖2. TrpOx-395TF-Bodipy373形成過程示意圖：其中A）TrpOx的結(jié)構(gòu)和TF插入的位置，并顯示了TF和FAD之間的距離；B）為TrpOx從TF395位點通過Bodipy373接頭到碳納米管表面的連接示意圖；C）為S-Click反應(yīng)的示意圖（S代表TF中的硫原子，Cl代表Bodipy373中的氯原子）。
　　圖3. 蛋白修飾HOPG電極的原子力顯微鏡圖像以及電化學(xué)循環(huán)伏安圖（CV）
　　圖4. 通過S-click定向偶聯(lián)制備的色氨酸氧化酶電極的時間電流曲線表征，以及在血液樣品及癌細(xì)胞培養(yǎng)體系中對色氨酸的實時原位動態(tài)檢測