2023年6月15日，北京大学刘涛教授与南方科技大学蒋伟教授研究团队合作在Chem期刊上发表题为“Reversible control of tetrazine bioorthogonal reactivity by naphthotube-mediated host-guest recognition”的新研究。
该研究报道了一种基于超分子主客体识别的四嗪生物正交反应活性调控策略，该策略通过萘管主体与四嗪客体的分子识别来调控四嗪的生物正交反应活性。萘管能以高亲和力识别各种生物分子上的苯基四嗪，从而以可逆的方式有效地抑制它们的生物正交反应活性。这种策略有望扩展四嗪化学的应用。
论文通讯作者为刘涛教授；第一作者为曹文兵，王浩宇，权茂。
生物正交化学反应是指能够在生物体系中进行、且不会与天然生物化学过程相互干扰的一类化学反应。这类化学反应的出现，为科学家对生命进程的原位研究带来了革命性的技术，已经成为化学生物学这一新兴交叉领域的核心方向之一。也因此，2022年诺贝尔化学奖授予化学家Carolyn R. Bertozzi、Morten Meldal和K. Barry Sharpless，以表彰他们在点击化学和生物正交化学研究方面的贡献。其中，四嗪参与的逆电子需求的Diels–Alder（IEDDA）反应具有超快的反应速率、温和的反应条件与极好的生物相容性，是非常具有潜力的生物正交反应。对该反应的精确调控也具有十分重要的意义。然而，目前这些调控手段大多局限于光催化或电化学还原二氢四嗪，从而释放其反应活性，尽管实现了有效的调控，但对生物体具有毒性，且操作不便。
在这项工作中，刘涛教授课题组开发了一种非共价调控四嗪生物正交反应活性的策略，该方法简便高效且生物相容性好。该课题组之前发现超分子主体可识别蛋白表面以氨基酸侧链形式存在的客体，从而定点靶向蛋白质并影响其功能（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 11196），而蒋伟教授课题组发现了超分子萘管可以与苯基嘧啶有高亲和力（CCS Chem.2020, 2, 1078–1092）。因此，本工作中，刘涛教授课题组开发了超分子萘管识别四嗪并调控其生物正交反应活性的策略（图1）。理论计算及实验均验证了萘管能与苯基四嗪有高亲和力，并且该结合能够有效抑制四嗪的反应活性。这种分子识别对于不同的分子上修饰的四嗪都十分有效，包括荧光分子、糖、氨基酸、核酸和蛋白质。并且，被包笼四嗪的反应活性可以通过加入与萘管有高亲和力的竞争性小分子实现恢复。因此，该策略可以实现四嗪生物正交反应在多种生物大分子上的可逆调控。
图1：超分子萘管调控四嗪生物正交反应示意图。
通过将四嗪做成氨基酸侧链的形式，四嗪氨基酸可以被基因编码、参与蛋白质的翻译，实现对蛋白质的定点四嗪修饰。而通过理论计算与实验测定，萘管只能识别在蛋白表面充分暴露在溶剂中的“站式”四嗪氨基酸，而不能识别贴在表面的“躺式”四嗪氨基酸，而二者本身都具有生物正交反应活性。因此，可通过先对“站式”四嗪氨基酸的包笼，让“躺式”四嗪氨基酸先进行生物正交反应，然后通过竞争性小分子的加入，让“站式”的四嗪氨基酸参与新的分子介导的生物正交反应。这种顺序IEDDA反应可以实现在插入多个四嗪氨基酸的蛋白质中进行快速定点的生物正交反应多修饰（图2A）。
鉴于抗体药物偶联物（Antibody-drug conjugates, ADC）广泛应用于临床治疗，且因抗体蛋白稳定性差，温和快速的IEDDA反应十分适用于制备抗体小分子偶联物。因此这样的顺序IEDDA反应首先应用于对于抗体的温和快速多标记。通过表达包含多个四嗪氨基酸的抗体并进行顺序IEDDA反应，定点修饰的长效荧光抗体以及荧光抗体药物偶联物制备完成，且其生物活性得到了表征。这表明顺序IEDDA反应的策略可实现抗体精准多位点修饰及抗体药物荧光双偶联（图2B）。
四嗪IEDDA反应由于其温和快速的特点，被广泛应用于活细胞的标记。而超分子调控元件也具有极好的生物相容性。通过细胞自身表达多种含四嗪氨基酸的蛋白，顺序IEDDA反应可以实现对同一活细胞内多靶点的定点标记及高效成像（图2C,D）。
四嗪IEDDA反应速率很高，且反应条件温和，这使得它可以用于活体内的反应。因此，本文也进行了在小鼠活体内调控四嗪生物正交反应活性的实验（图2E,F）。
图2：超分子萘管调控四嗪生物正交反应的应用。
综上，该调控策略拓展了四嗪生物正交化学的应用场景，并为四嗪生物正交化学的发展提供了新的启发。该工作得到了国家自然科学基金（92156025, 92253301和U22A20332）、国家重点研发计划（2022YFA0912400和2021YFA0909900）和北京市自然科学基金（JQ20034）的支持。团队成员李雨轩、苏晔宇、李雨航，天然药物及仿生药物国家重点实验室平台指导老师张晓辉和师晓萌以及北京大学医学部实验动物科学部指导老师赵祎洁也对该工作做出了重要贡献。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.05.034
