光活化荧光探针是指本来不发射荧光，但可以通过活化光诱导光化学反应从而成为能发射荧光的材料，它们在光学器件和分子成像等领域都有着广泛的应用。特别是在活细胞荧光成像领域中，我们可以通过调控活化光和激发光源的位置、能量、光照时间，实现分子的可控活化，引发荧光信号的改变，从而实现生物分子如蛋白质及其它生物大分子的动力学监测。光活化荧光探针的构筑通常是在荧光团上引入光笼基团（photocage），猝灭荧光信号。经典的光笼基团包括邻硝基苯及其衍生物。一般情况下，我们可以通过紫外光切断光笼基团，可控地实现荧光团的去保护，恢复荧光信号。但是，这类经典的光笼基团的尺寸相比起小分子荧光团自身的尺寸比较大，容易干扰小分子原有的靶向性和生物相容性，而且大部分光笼基团的切断都需要使用波长短的紫外光，极大的限制了这类光活化荧光探针的生物应用。

通过将荧光团中的羰基变成硫代羰基而得到可见光活化的荧光探针

为了克服这一困难，在最新的JACS 研究成果中，莱斯大学的Han Xiao教授（点击查看介绍）和他的团队仅仅通过一个从氧原子到硫原子的微小变化，就可以将现有的多种荧光团转变成能被可见光活化的荧光团。他们发现，将荧光团中的羰基通过劳森试剂转变成硫代羰基，就可以实现荧光团的荧光猝灭，使荧光团的量子产率降低至0左右。通过理论计算，他们发现这一类硫代羰基的荧光猝灭机制属于经典的光致电子转移引起的猝灭。在正常的有氧环境下，通过使用合适的光源照射（波长在荧光团吸收波长处的光源），硫代羰基可以很容易的氧化成正常的氧代羰基，荧光团恢复到正常状态，荧光得以恢复，从而实现可见光活化。

他们将这一类光活化荧光探针成功应用于超高分辨荧光成像。他们发现SNile Red可以很好的定位于细胞内的脂滴结构。并且由于它的光活化特性，SNile Red可以用于脂滴的超高分辨成像，成像精度高达13 nm。他们还证明这一类光活化荧光团能跟已有的商业染料联用，进一步丰富了他们的应用范围。并且这一广谱通用的光活化探针设计方法可以与蛋白靶向标记技术（Halo-Tag）联用，实现光活化探针在蛋白水平的靶向性。他们以组蛋白(Histone)为例，将组蛋白中融入Halo-tag短肽；在SDMAP上修饰Halo-Tag的反应底物（Halo 配体），得到了SDMAP-Halo。荧光共定位表明这个荧光分子能很好的靶向H2B-Halo-tag，并且实现了该蛋白的超高分辨成像。值得注意的是，该类荧光探针在用于超高分辨成像时可以直接在细胞培养基或者磷酸缓冲液中进行，并不需要引入任何对细胞有毒的还原剂或者氧气捕获剂，从而可以应用于活细胞的超高分辨成像，这一点相比起目前需要借助于还原剂或者氧气捕获剂来实现超高分辨成像的荧光探针具有显著的优势。

该类光活化荧光探针可以与蛋白靶向标记技术联用

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Single-Atom Fluorescence Switch: A General Approach toward Visible-Light-Activated Dyes for Biological Imaging

Juan Tang, Michael A. Robichaux, Kuan-Lin Wu, Jingqi Pei, Nhung T. Nguyen, Yubin Zhou, Theodore G. Wensel*, Han Xiao*

J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b06237

莱斯大学 (Rice University) 的Han Xiao教授课题组拥有崭新的实验室，一流的公共科研平台和良好的工作环境。课题组研究方向包括：生物探针，蛋白质化学修饰，蛋白进化，抗体欧联，化学生物学以及相关交叉学科。欢迎具有化学、生物化学、分子生物工程、化学工程、药学等相关专业背景的本科、硕士及在读博士加盟。

Han Xiao

https://www.x-mol.com/university/faculty/49804