港科大钱培元/唐本忠/朱广合作CEJ：从海洋细菌代谢产物中首次发现具有聚集诱导发光效应的分子
作者：石油醚
导读
近日，香港科技大学钱培元、唐本忠和朱广教授等团队合作，首次从海洋细菌的次级代谢产物中鉴定出具有AIE特性的喹唑酮类生物碱HMPQ。该分子具有激发态分子内质子转移（excited-state intramolecular proton transfer，ESIPT）的特性。激发态下，由于分子内氢键的作用，HMPQ会经历“烯醇-酮”的可逆互变。不同极性溶剂对分子内氢键的抑制效应各异，使得HMPQ在不同溶剂体系中呈现出由蓝光到绿光的可控发射变化。通过XRD单晶分析和DFT计算，作者揭示了微观层面的分子堆积方式和构象差异是导致宏观荧光性能差异的根本原因。这一构效关系的研究凸显了晶体学在AIE活性化合物设计与开发中的关键作用。
“Discovery of a novel marine bacterial AIEgen that lights up specific G-quadruplexes
Wenkang Ye, Xinnan Wang, Parvej Alam, Changdong Liu , Monica C. Suen, Jianwei Tang, Herman H.Y. Sung , Ian D. Williams, Eric Y. Yu, Jacky W.Y. Lam, Guang Zhu*, Ben-Zhong Tang*, Pei-Yuan Qian*
Chem. Eng. J, 2024, 497, 154947. Doi: 10.1016/j.cej.2024.154947.”
摘要
二十年前，聚集诱导发光（Aggregation-induced emission, AIE）现象的发现标志着光物理及材料科学的重大进步。AIE材料在固态或聚集态下表现出优异的光学性质，克服了传统荧光材料在高浓度或聚集态下荧光淬灭（Aggregation-caused quenching, ACQ）的局限性，促进了多功能AIE分子（AIEgens）在生物成像、光电和生化传感等领域的发展。研究团队首次从海洋细菌代谢物中发现了具有AIE性质的新型喹唑酮生物碱小分子（HMPQ）。光物理表征结果显示，HMPQ在不同极性溶剂和固态多晶型中的发光表现各不相同。此外，HMPQ对特殊的核酸结构G-四链体（G4s）表现出特异性结合亲和力，能够在不改变其构象的情况下点亮这类核酸结构。其卓越的安全性和对细胞中G4s结构的精确可视化能力，表明HMPQ在生物应用中的巨大潜力，为开发用作高效G4探针的新一代BioAIEgens提供了新的思路。
背景及内容
聚集诱导发光（Aggregation-induced emission, AIE）材料在固态或聚集态下表现出优异的光学性质，克服了传统荧光材料在高浓度或聚集态下荧光淬灭的局限性。这一特性使AIE材料在生物成像、光电子学和生化传感等领域具有广泛的应用前景。从AIE概念的提出至今，全球已有145个国家或地区、约12,000个研究机构或部门从事AIE相关领域研究，总引用次数超过30万次，近两年每年新增的SCI论文超过1200篇。
然而，现有的AIE分子主要基于合成染料，其合成与纯化过程可能带来环境污染，并存在生物兼容性不确定的问题。此外，合成方法的局限性也限制了结构多样性的扩展，成为其进一步发展的瓶颈。因此，开发天然产物来源的生物AIE分子（BioAIEgens）成为重要的研究方向，因其具备可再生、可生物降解、无毒或低毒性、优异的生物相容性以及多样的药理活性。
目前，已知的生物AIE分子主要来源于植物，如姜黄素、槲皮素、小檗碱和香豆素等（图1），这些分子在生物相容性和生物活性方面表现出色。然而，微生物来源的AIE分子尚未被充分探索。与植物相比，细菌具有更短的生长周期，培养条件相对简单可控，更容易进行基因工程改造以提高目标产物的产量。与此同时，海洋覆盖了地球70%以上的表面积，大量生物生活在与陆地截然不同的环境中。海洋独特的环境孕育了众多独特的微生物种类，这些微生物适应了极端的生存条件，进化出多样的代谢途径，能够生产出结构多样且具有生物活性的天然产物。因此，海洋微生物天然产物是值得挖掘的AIE分子宝库。
图1. 各类已报道的植物来源的AIE天然产物及其在荧光传感和生物成像中的应用
近日，香港科技大学钱培元、唐本忠和朱广教授等团队合作，首次从海洋细菌的次级代谢产物中鉴定出具有AIE特性的喹唑酮类生物碱HMPQ。该分子具有激发态分子内质子转移（excited-state intramolecular proton transfer，ESIPT）的特性。激发态下，由于分子内氢键的作用，HMPQ会经历“烯醇-酮”的可逆互变。不同极性溶剂对分子内氢键的抑制效应各异，使得HMPQ在不同溶剂体系中呈现出由蓝光到绿光的可控发射变化（图3）。此外，HMPQ在同一溶剂环境中能够形成多种晶形，其中针状晶形在激发态下的荧光发射效率显著高于块状晶体（图5）。通过XRD单晶分析和DFT计算，作者揭示了微观层面的分子堆积方式和构象差异是导致宏观荧光性能差异的根本原因。这一构效关系的研究凸显了晶体学在AIE活性化合物设计与开发中的关键作用。
图2. 微生物来源的AIE小分子HMPQ的发现
图3. HMPQ在溶液态的光物理表征
图4. HMPQ在聚集态的光物理表征
图5. HMPQ两种晶型展现出截然不同的发光性质
G-四链体（G4s）在人类基因相关的生物过程中发挥重要作用，成为多种人类疾病诊断与治疗的潜在靶点。HMPQ在体外和细胞内环境中均能在不改变G4构象的情况下精准标记这些非典型核酸结构，展现出极高的选择性和灵敏度（图6上a-d）。共聚焦成像结果表明，HMPQ通过绿色荧光成功标记细胞内的G-四链体结构，其与G4s的商用抗体标记物BG4的重合系数高达94%（图6下a-e）。
图6. HMPQ与G四链体可特异性结合并在细胞内外点亮该结构
该研究成果近日以Discovery of a novel marine bacterial AIEgen that lights up specific G-quadruplexes为题发表在Chemical Engineering Journal上，钱培元教授，唐本忠院士和朱广教授为该论文共同通讯作者。香港科技大学叶文康博士和王欣楠博士为该论文共同第一作者。
（非常感谢叶文康博士提供稿件）
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