大家好，本周分享一篇2022年5月发表在Nature Communications(IF:16.6)的文章，题目为“Dual-resolving of positional and geometric isomers of C=C bonds via bifunctional photocycloaddition-photoisomerization reaction system”。该研究的通讯作者为陈素明教授，武汉大学博士生导师。![]()
● 背景介绍 ●
脂质是生物体中起着至关重要作用的生物分子。不饱和脂质是脂质的一个亚类，在脂肪酰基链中含有单个或多个C=C键。脂质中C=C键的异构体类型包括位置和几何（E-Z）异构体，它们赋予脂质在生物体中不同的结构和功能。同时分离不饱和脂质的C=C位置和E-Z异构体可以为深入理解其结构与生物学作用之间的关系提供多维信息。尽管对单一异构体类型的分析取得了进展，但C=C位置异构体和几何异构体的同时分析仍然具有挑战性。作者的目标是开发一种双功能策略，可以同时分析C=C键的位置和E-Z构型，并为其生物学功能研究提供多维异构体信息。本文以甲苯甲酰甲酸酯（MBF）为羰基底物，以Ir[dFppy]2(dtbbpy)PF6为不饱和脂质光催化剂，建立了可见光活化光催化反应体系（Fig. 1）。该双功能体系的特点是：（1）不饱和脂质中C=C键的高效[2+2]光环加成衍生化;（2）顺式-反式C=C键的光异构化转化。通过实验和密度泛函理论计算研究了光环加成-光异构化（PCPI）反应的可能机理。通过使用该反应系统，作者建立了一个集成的工作流程，可以对脂质的C=C键异构体进行全面的定性和定量分析。通过深入分析细菌的脂质结构并揭示其独特的顺反异构体模式，以及用小鼠模型跟踪脑缺血中C=C位置异构体的变化，验证了该方法的适用性。![]()
Fig. 1. Schematic illustration of the bifunctional visible-light-activated photocatalytic reaction system.
首先，Ir[dFppy]2(dtbbpy)PF6的三重态Ir(III)通过Dexter能量转移促进长寿命三重态[MBF]*的产生。然后，3[MBF]*将通过Paternò-Büchi反应的标准逐步双自由基机制在脂质中C=C键进行随后的[2+2]环加成反应，以提供氧杂环烷。3[MBF]*双自由基中间体也可以进行自由基消除以再生基态MBF和几何异构化的脂质。为了证实上述机理，采用密度泛函理论（DFT）计算研究了油酸[FA 18:1（9Z）]和MBF的可见光活化光催化反应（Fig. 2)。![]()
Fig. 2. Free-energy profile of the visible-light-activated photocatalytic reaction of oleic acid and methyl benzoylformate (MBF).
作为本研究的起点，一对单不饱和脂肪酸异构体FA 18:1（9Z/9E）进行了该光催化反应（Fig. 3a）。如Fig. 3b所示，反应得到[2+2]环加成产物P1/P2，相对离子强度（RI）为72%。在串联MS分析中，P1和P2（m/z 469.29,[M+Na]+）CID进行碎裂，并在m/z 195.10和327.16处检测到诊断离子P1a和P2a(Fig. 3c）。这些特征片段不仅为[2+2]光环加成产物的形成提供了明确的证据，而且还为鉴定C=C键的位置提供了诊断离子。离子对P1a和P2a的质量差为132 Da（C9H8O），可以简单地用作“诊断离子”来确认C=C键的存在。这种可见光激活的光催化反应代表了一种用于识别C=C键位置的化学方法。更重要的是，作者发现在同一光催化反应体系中，顺式C=C键转化为反式键的趋势很高（Fig. 3d）。在提取的离子色谱图（EICs）中，FA 18:1（9Z）标准品在反应前7.5分钟显示单个色谱峰。然而，在反应后7.8分钟观察到对应于FA 18:1（9E）的明显新峰。相比之下，从FA 18:1（9E）到FA 18:1（9Z）的转换非常小（~1.7%）。这些结果揭示了该光催化反应体系中不饱和FAs优选的顺反光异构化，这为识别C=C键的几何构型提供了额外的特征。![]()
Fig. 3. Demonstration of the bifunctional reaction system for the identification of C=C bonds location and E-Z configuration in FA 18:1 (Δ9).
为了进一步证明该策略的应用，选择了具有两个C=C键的不饱和脂质。首先，研究了FA 18:2（9Z，12Z）的PCPI反应，如Fig. 4a所示，FA可以有效地转化为[2+2]环加成产物P1/P2。[P1/P2+Na]的MS/MS谱图（Fig. 4b）在m/z 195.10/327.16（∆9）和m/z 235.13/367.19（∆12）处产生C=C键的诊断离子。此外，光催化反应前后的FA 18:2（9Z，12Z）和FA 18:2（9E，12E）的EICs表现出不同的异构化趋势（Fig. 4e）。反应后，FA 18:2（9Z，12Z）在右侧观察到两个新峰，尽管最右侧的峰对应于两个C=C键的转化FA 18:2（9E，12E）较小。作者推测中间的峰应该属于FA 18:2（9Z，12E）和FA 18:2（9E，12Z）的混合物，由于它们的结构非常相似，可能很难分离。可以预料的是，FA 18:2（9Z，11E）的光异构化也观察到，右侧有一个新峰FA 18:2（9E，11E），但向FA 18:2（9Z，11Z）的转化要少得多。因此，通过比较反应后的EICs和反应前的EIC，可以识别出具有两个C=C键的FA的原始几何构型。此外，还研究了多不饱和磷脂，如PC 18:1（9Z）/18:1（9Z）和PC 18:0/18:2（9Z，12Z）。在m/z 950.65处检测到PC 18:1（9Z）/18:1（9Z）的环加成产物（Fig. 4c），P1a和P2a的碎片离子也分别出现在m/z 808.51和676.45处（Fig. 4d）。在EIC中可以清楚地观察到光异构化的产物，这应该对应于一个键（中间峰）和两个C=C键（右峰）的异构化（Fig. 4f）。最右边的峰值可以很好地匹配PC 18:1（9E）/18:1（9E）。除此之外还对甘油酯中C=C键的位置进行了鉴定。![]()
Fig. 4. Demonstration of the bifunctional reaction system for the identification of C=C bonds location and E-Z configuration in polyunsaturated lipids.
为检验基于光催化环加成反应的MS方法对C=C定位异构体的定量性能，作者分析了FA 18:1（6Z/9Z）和PC 18:1（6Z/9Z）/18:1（6Z/9Z）的∆6和∆9异构体。使用来自环加成产物的诊断离子P1a和P2a的色谱峰面积（A）进行定量。结果（Fig. 5）表明，在宽动态范围（1:2至20:1）下，单个离子的峰面积比（A ∆9/∆6）和P1a/P2a的总和与两种具有良好线性（R2>0.99）的异构体的摩尔比（M ∆9/∆6）成正比，证明了该方法在定量分析C=C位置异构体比例方面的能力。并将提供揭示脂质C=C异构体组成与疾病之间关系的机会。另一方面，C=C几何异构体的定量可以简单地基于每种异构体在确定其构型后的原始LC峰面积。![]()
Fig. 5. Quantitative analysis of the C=C positional isomers.
基于这种全新的分析手段，作者以植物的病原菌和内源菌为研究对象，在组学层面上对四种细菌的脂质双键异构体的全面分析。共鉴定出309个脂质分子，其中多达133个不饱和脂质实现了深度的双键异构精确鉴定。通过全面比较不同细菌中顺反异构体的比例（Fig. 6），发现了每种细菌独特的脂质异构指纹谱，揭示了细菌中特有的高比例反式脂质成分及其亚类分布规律。这些结果揭示了细菌在C=C异构体水平下脂质组成的独特模式，表明了细菌的不同生存机制。证明了所开发的系统对复杂生物样品进行结构脂质组学分析的能力。为进一步研究不饱和脂质异构体的生物功能奠定了基础。![]()
Fig. 6. Structural lipidomics analysis of bacterial samples derived from Arabidopsis.
此外，作者还利用开发的不饱和脂质异构体分析方法，对小鼠脑缺血及其再灌注恢复过程中的脂质异构体比例进行了定量分析（Fig. 7）。发现脑缺血会导致脂肪酸（FA）和磷脂酰乙醇胺（PE）双键在∆9位和∆11位以及双键在∆11位和∆13位的异构体比例发生显著性变化，而再灌注恢复过程会使其得到显著改善。说明C=C位置异构体的生物合成受到了脑缺血的显著影响，再灌注过程可使其得到改善，可能与这些过程中不饱和脂类的代谢重编程有关。这些发现进一步验证了所提方法在更深入地理解脂质结构特异性与生物学功能之间关系方面的适用性。![]()
Fig. 7. Comparison of the C=C locational isomer ratios between left and right brains of MCAO model mice after 1-day and 3-day reperfusion.
● 总结 ●
综上所述，作者开发了一种具有光异构化和[2+2]光环加成的可见光激活双功能光催化反应体系，用于同时鉴定不饱和脂质的C=C键位置和几何异构体。结合LC-MS，该工作流程能够对细菌样品进行全面的结构脂质组学分析，并揭示了细菌在C=C键位置和顺反异构体水平的独特模式。此外，该方法允许在小鼠模型中跟踪C=C位置异构体脑缺血的变化，并提供了对再灌注过程中脂质代谢的进一步了解。该研究不仅为深层结构脂质组学分析提供了有力工具，而且为羰基和C=C键的三重能量转移光催化反应提供了见解。
编辑：王杰
责任编辑：魏芳
文章引用：https://doi.org/10.1038/s41467-022-30249-z
文章信息：Feng, G., Gao, M., Wang, L. et al. Dual-resolving of positional and geometric isomers of C=C bonds via bifunctional photocycloaddition-photoisomerization reaction system. Nat. Commun. 13, 2652 (2022).
中国农业科学院油料作物研究所油料品质化学与营养创新团队脂质分析实验室致力于突破脂质组分析所面临的生物基质复杂、脂质及其代谢产物种类繁多且结构复杂、定性和定量分析困难等共性关键技术瓶颈，建立高效，高通量的脂质组分析平台，并将该平台广泛应用于：（1）不同生物种质资源中脂质组成；（2）应用于食品安全与质量控制；（3）脂质的生物功能与营养学评价；（4）开发新的功能脂质。
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