生物正交反应在我国的研究进展

doi:10.6023/A20110530

化学学报 ›› 2021, Vol. 79 ›› Issue (4): 406-413.DOI: 10.6023/A20110530 上一篇下一篇

综述

生物正交反应在我国的研究进展

汪欣^a^,^b, 张贤睿^a^,^b, 黄宗煜^a^,^b, 樊新元^a^,^b^,^*(), 陈鹏^a^,^b^,^*

a 北京大学化学与分子工程学院合成与功能生物分子中心生物有机与分子工程教育部重点实验室北京 100871
b 北京分子科学国家研究中心北京 100871

投稿日期:2020-11-19 发布日期:2021-01-07
通讯作者: 樊新元, 陈鹏

作者简介:

汪欣, 2019年博士毕业于北京大学前沿交叉科学研究院, 现为北京大学博雅博士后, 导师陈鹏教授, 主要研究方向为非天然氨基酸、蛋白质化学、生物正交剪切反应的开发与应用.

张贤睿, 2020年本科毕业于中山大学化学学院, 现为北京大学化学与分子工程学院博士研究生, 导师陈鹏教授, 主要研究方向是非天然氨基酸以及生物正交断键反应在蛋白质化学中的应用.

黄宗煜, 2019年本科毕业于北京师范大学化学学院, 现为北京大学化学与分子工程学院研究生, 导师陈鹏教授, 主要研究方向是生物正交断键反应、亚细胞蛋白质组学.

樊新元, 北京大学化学与分子工程学院副研究员. 本科(2007)和硕士(2010)均毕业于兰州大学, 2014年获西班牙加泰罗尼亚化学研究所博士学位(Cum Laude), 毕业后经北京大学博士后训练后入职南京工业大学, 随后于2019年全职入职北京大学至今. 研究工作主要以生物应用为导向、以有机化学为手段, 围绕“蛋白质化学”的主线开展生物正交反应、遥控化学工具等相关的化学生物学研究.

陈鹏, 北京大学化学与分子工程学院教授、化学生物学系主任. 2002年本科毕业于北京大学化学与分子工程学院, 2007年获得美国芝加哥大学化学博士学位, 并随后在Scripps研究所从事博士后研究. 2009年7月回国, 在北京大学开展化学生物学研究与教学工作. 致力于活细胞上的化学反应开发与生物学应用, 提出并发展了“生物正交剪切反应”, 突破了在活细胞内研究蛋白质的技术瓶颈, 并应用于蛋白质药物开发, 开拓了生物正交反应新方向, 受到国内外同行的广泛关注与应用. 现任生物有机与分子工程教育部重点实验室主任, 中国化学会化学生物学专业委员会主任, 美国化学会ACS Chemical Biology期刊副主编等.

基金资助:
国家重点研发计划(2016YFA0501500); 国家重点研发计划(2019YFA0904201); 国家自然科学基金(91753000); 国家自然科学基金(21740001); 国家自然科学基金(22077004); 国家自然科学基金(91957101); 国家自然科学基金(21708020)

Recent Progress of Bioorthogonal Chemistry in China

Xin Wang^a^,^b, Xianrui Zhang^a^,^b, Zongyu Huang^a^,^b, Xinyuan Fan^a^,^b^,^*(), Peng R. Chen^a^,^b^,^*

a Synthetic and Functional Biomolecules Center, Key Laboratory of Bioorganic Chemistry and Molecular Engineering of Ministry of Education, College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871, China
b Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, Beijing 100871, China

Received:2020-11-19 Published:2021-01-07
Contact: Xinyuan Fan, Peng R. Chen
About author:
* E-mail: pengchen@pku.edu.cn
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2016YFA0501500); National Key Research and Development Program of China(2019YFA0904201); National Natural Science Foundation of China(91753000); National Natural Science Foundation of China(21740001); National Natural Science Foundation of China(22077004); National Natural Science Foundation of China(91957101); National Natural Science Foundation of China(21708020)

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摘要/Abstract

生物正交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. 自这一概念提出的近二十年里, 生物正交化学经历了反应类型由单一的“偶联反应”向成键偶联、断键剪切反应并重, 应用场景由简单的活细胞体系向更为复杂的生物活体升级的一系列发展历程. 同时, 在生命科学研究、医药研发、临床诊疗等多个领域展示出了广阔的应用前景. 我国化学生物学领域的学者们积极参与并推动了生物正交反应的快速发展, 在反应开发、体系优化和实际应用等方面开展了一系列原创工作, 取得了瞩目的成绩; 尤其是在“生物正交剪切反应”概念的提出与开发应用等方面产生了重要的国际影响. 本综述中, 分别按照金属介导、光介导和化学小分子介导的生物正交偶联反应以及生物正交剪切反应, 对近五年来我国学者在该领域的代表性成果进行系统介绍. 最后对生物正交反应的进一步发展与应用加以展望. 我们期待更多高效、兼容的生物正交反应得以发展, 并提出“遥控生物正交化学”的未来发展目标, 期待更多的化学家能够加入生物正交反应的开发拓展与应用探索当中.

关键词: 生物正交反应, 生物正交剪切反应, 生物正交偶联反应, 遥控生物正交化学, 剪切化学

Bioorthogonal chemistry refers to chemical reactions that can be carried out in biological systems without interfering with natural biochemical processes. During the past two decades since its emergence, the scope of bioorthogonal chemistry has been greatly expanded from ligation to cleavage reactions, with broad applications ranging from live cells to animals for biological studies, medical as well as pharmaceutical research. Chinese chemical biologists have actively participated in this exciting area, and a series of important work has been carried out with notable achievements. In particular, the creation and development of bioorthogonal cleavage reactions and its diverse applications have drawn considerable attentions. In this review, we summarize the representative work on bioorthogonal chemistry that been developed in China in recent five years. These works will be categorized into metal-, photo- and small molecule-mediated bioorthogonal ligation as well as cleavage reactions, respectively. In the end, we will discuss the future development along this exciting avenue and the further innovation of the “remote-control bioorthogonal chemistry”, which may eventually drive the bioorthogonal reactions into living animals or even human being.

Key words: bioorthogonal reaction, bioorthogonal cleavage reaction, bioorthogonal ligation reaction, remote bioorthogonal chemistry, bond-breakage chemistry

引用此文

汪欣, 张贤睿, 黄宗煜, 樊新元, 陈鹏. 生物正交反应在我国的研究进展[J]. 化学学报, 2021, 79(4): 406-413.

Xin Wang, Xianrui Zhang, Zongyu Huang, Xinyuan Fan, Peng R. Chen. Recent Progress of Bioorthogonal Chemistry in China[J]. Acta Chimica Sinica, 2021, 79(4): 406-413.

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图/表 7

图1. 生物正交反应在我国的研究进展

Figure 1. Recent progress of bioorthogonal chemistry in China

图2. 金属介导的生物正交偶联反应

Figure 2. Metal-mediated bioorthogonal ligation reactions[20,22,25,27]

图3. 光介导的生物正交偶联反应

Figure 3. Photo-mediated bioorthogonal ligation reactions[28,30-31]

图4. 化学小分子介导的生物正交偶联反应

Figure 4. Small molecule-mediated bioorthogonal ligation reactions[37-38,40-41]

图5. 金属介导的生物正交剪切反应

Figure 5. Metal-mediated bioorthogonal cleavage reactions[42-43]

图6. 光介导的生物正交剪切反应

Figure 6. Photo-mediated bioorthogonal cleavage reactions[45-46]

图7. 化学小分子介导的生物正交剪切反应

Figure 7. Small molecule-mediated bioorthogonal cleavage reactions[48⇓-50,52]

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生物正交反应在我国的研究进展

Recent Progress of Bioorthogonal Chemistry in China

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