中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所分子探針與熒光成像研究研究員組徐兆超團(tuán)隊(duì)長期致力于熒光分子科學(xué)與工程研究，針對生物單分子檢測和超高時空動態(tài)分辨的前沿需求，開展“標(biāo)記-探針-成像”一體化研究。該團(tuán)隊(duì)以熒光分子發(fā)光構(gòu)效關(guān)系為核心，以“實(shí)驗(yàn)/理論”相結(jié)合的模式深刻理解和探索分子發(fā)光機(jī)理，工程化創(chuàng)制高性能新型熒光分子，并于近期取得了一系列新進(jìn)展。
該研究團(tuán)隊(duì)與新加坡科技設(shè)計大學(xué)教授劉曉剛合作，在前期獲得高熒光強(qiáng)度和光穩(wěn)定性系列新型熒光染料的基礎(chǔ)上（J. Am. Chem. Soc., 2016），發(fā)現(xiàn)了一種新型的光誘導(dǎo)分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，命名為“分子內(nèi)扭轉(zhuǎn)電荷穿梭”（Twisted Intramolecular Charge Shuttle, TICS）（Angew. Chem. Int. Ed. )。
光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移是光合作用、太陽能電池、光催化劑、熒光探針等研究中的核心機(jī)制。電荷轉(zhuǎn)移過程的深入理解，對于光化學(xué)相關(guān)研究具有重要意義。然而，由于光子的吸收速度極快且激發(fā)態(tài)壽命較短，在分子水平上研究電荷轉(zhuǎn)移仍然是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。雙方研究人員借助有機(jī)熒光染料多維的熒光信號（強(qiáng)度、壽命、波長等），以熒光染料構(gòu)效關(guān)系與理論計算交叉結(jié)合為出發(fā)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)了一種電荷在供體和受體間往返轉(zhuǎn)移過程（TICS）。研究發(fā)現(xiàn)，模型染料分子受到光照激發(fā)后，基態(tài)作為電子供體的二烷基胺在激發(fā)態(tài)可轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮邮荏w，并迅速隨著自身90o的扭轉(zhuǎn)由電子受體再次轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮庸w，由LE激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)變到TICS激發(fā)態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了電荷的往復(fù)“穿梭”。該機(jī)制的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步推進(jìn)了分子水平上對光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制的理解，在光電轉(zhuǎn)換、光催化等領(lǐng)域?qū)⒕哂兄匾獌r值。
徐兆超團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種不受環(huán)境pH影響的熒光分子開關(guān)，通過有效調(diào)控分子開關(guān)速度實(shí)現(xiàn)了長時間的超分辨熒光成像（Chem. Sci.）。
超分辨熒光顯微鏡突破了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的衍射極限限制，使得光學(xué)顯微鏡能夠達(dá)到納米尺度的空間分辨率，對生命科學(xué)的發(fā)展具有重要意義。其中基于單分子定位的超分辨熒光成像技術(shù)，需要熒光染料既要具有熒光“開-關(guān)”功能，又要具有高熒光強(qiáng)度和好的光穩(wěn)定性。羅丹明類染料由于其高熒光強(qiáng)度和光穩(wěn)定性，以及其螺內(nèi)酰胺衍生物所具有的光激活熒光開關(guān)功能已被廣泛使用在超分辨單分子定位顯微成像中。然而羅丹明螺酰胺的開環(huán)反應(yīng)會受到酸性環(huán)境的影響，嚴(yán)格限制這類染料只能在中性環(huán)境中使用，此外其閉環(huán)反應(yīng)速率較慢，導(dǎo)致了這類染料通常被用作一次光激活熒光染料而不是可逆的光開關(guān)染料。科研人員通過引進(jìn)分子內(nèi)氫鍵穩(wěn)定螺酰胺結(jié)構(gòu)，報道了一系列熒光螺酰胺使得它們即使在酸性環(huán)境中也能夠具有好的光開關(guān)性能；進(jìn)一步共軛修飾6-苯乙炔基萘酰亞胺，將激活光波長紅移到了可見光區(qū)域（>400nm），使得該類染料適用于活細(xì)胞超分辨成像；最后將這類耐酸性光開關(guān)熒光染料標(biāo)記處于酸性環(huán)境（pH 4.5）中的枯草芽孢桿菌細(xì)胞膜表面，通過超分辨成像系統(tǒng)得到細(xì)菌細(xì)胞膜的三維超分辨圖像。
此外，徐兆超團(tuán)隊(duì)還提出了變型熒光傳感器的概念（transformable fluorescent sensor, TFS），改變傳統(tǒng)熒光探針的“一把鑰匙開一把鎖”的主客體識別模式為具有類似萬能鑰匙的分子實(shí)驗(yàn)室功能（lab-on-a-molecule）模式，即一個探針分子就可以識別區(qū)分眾多的分析物，實(shí)現(xiàn)了多種臨床耐藥菌的鑒定（ACS Sens.）。
多重耐藥細(xì)菌感染已成為病患發(fā)生嚴(yán)重并發(fā)癥和死亡的主因之一。臨床上快速、有效的耐藥菌診斷技術(shù)將十分有助于患者獲得及時的治療。細(xì)菌臨床診斷包括區(qū)分革蘭氏陰性/陽性菌、識別細(xì)菌種類、鑒定其耐藥性。常用診斷方法存在操作繁瑣、耗時費(fèi)力、環(huán)境污染嚴(yán)重、檢測費(fèi)用高等缺點(diǎn)。該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種對細(xì)菌膜表面高選擇性和高靈敏度識別的熒光探針，在30分鐘內(nèi)成功鑒定了24種細(xì)菌的革蘭氏陽性/陰性，并鑒別出其中14種臨床分離的多重耐藥菌和10種細(xì)菌菌種。該工作已獲得“中科院威高計劃2019”項(xiàng)目立項(xiàng)，目前正與大連醫(yī)科大學(xué)附屬二院檢驗(yàn)科合作，有望發(fā)展成為一種快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的細(xì)菌臨床診斷新方法，用于快速鑒定細(xì)菌的革蘭氏陰性/陽性、種類和耐藥性，從而指導(dǎo)醫(yī)生有效用藥。
以上研究工作得到國家自然科學(xué)基金、大連化物所DMTO和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)基金等資助。
