聊一聊生物正交反应

2021
11/01

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▉ 生物正交反应

今天和大家聊聊近些年在化学生物学以及材料科学中非常有用的一个概念,生物正交反应。乍看之下,这个名字有点让人感到迷惑,其实它非常简单。所谓的正交就是互不干扰的意思,用在这里,表示一个化学反应可以在生物背景下(如活细胞、活体动物体内)独立进行,不对周围的生物体系产生影响,而生物体系中的各种各样的物质也不会对它产生干扰。

26811634900600904     图源:Developing bioorthogonal probes to span a spectrum of reactivities  

▉ 参与生物正交反应对化学反应条件

通俗地讲,参与生物正交反应的一对反应物只认对方,不理会周围其他的分子,彼此保持高度专一性。反应器皿也由化学实验室里各种各样的烧瓶、试管等玻璃仪器换成了活细胞等层面。原理固然简单,仔细想来就会发现这个定义对符合条件的化学反应要求相当苛刻

1)该反应要在常温下进行。因为该反应要在生物环境下进行,而生物环境的温度一般在室温左右,这就首先排除掉了绝大部分活化能较高,需要加热才能进行的化学反应。

2)反应必须在水中进行pH值在中性附近。这个很好理解,生物体中的最广泛的介质就是水,不能过酸过碱,这个条件又筛选掉了大部分化学反应。

3)反应要足够快、效率要足够高。因为在活细胞或者活体生物中发生化学反应,参与反应的化学小分子的浓度不能很高,这就要求反应必须有较快的反应速率常数以及较高的转化率

4)反应最好不需要任何催化剂就能进行,必须使用催化剂的时候,催化剂要对生物系统无毒或者毒性在可接受的范围之内。

5)最后也是最重要的一点,就是该反应不受生物系统中各种物质的影响。这也是最难办到的一点,因为即使是一个活细胞,里面也包含多种奇奇怪怪的成分,其中不乏一些自身具有较高反应活性基团的化学物质。我们知道,一个普通的有机化学反应,都要求原料和溶剂的纯度要尽可能高,目的就是减少杂质对反应对干扰以及减少副反应。而生物正交反应所处的环境,对一个化学反应来说,简直可以说是十分不友好了。

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图源:https://www.slideshare.net/DrArunN/cell-anatomy-38364617)

▉ 目前已知的符合生物正交反应条件的化学反应

1)叠氮和炔烃之间的1,3-偶极环加成 

生物正交反应的一个重要思路就是参与该反应的分子中的活性官能团在生物体系中不存在或者不常见,从而保证反应在生物体系中的正交性。最具代表性的一个例子就是2002年K. B. Sharpless和M. Meldal教授对叠氮化合物和末端炔烃的1,3-偶极环加成反应革命性的改良。

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之前这个反应需要在高温高压下才能顺利进行,改进后的方法是使用一价铜离子催化在室温下进行。他们经过研究得出在铜离子存的条件下,该反应的反应速率被提高了一千万倍左右。由于生物体内基本不存在叠氮基,末端炔基也十分罕见,因此该反应成为了生物正交反应的理想候选。唯一的缺点就是铜离子有毒导致细胞难以耐受。

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针对这个缺点,人们对这个反应进行了多种改进,最著名的当属Bertozzi教授等人的工作,他们利用环张力型炔烃代替传统末端炔烃,利用其和叠氮基团反应之后环张力得以释放的特性作为反应对驱动力,在保证了基本对反应速率的前提上,避免了催化剂的使用,使之更符合生物正交反应的要求。

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2) 环张力烯烃的环加成

实际上,带有环张力对烯烃也可以发生类似的反应。其中最具代表性的当属四嗪和反式环辛烯之间的环加成反应

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这个反应受环辛烯环内张力释放以及生成气态副产物(氮气)的双重驱动,反应速率是目前已知的生物正交反应中最快的,比上面提到的环张力炔烃和叠氮之间的反应速率快了一万倍左右。因为这个特性,该反应是目前唯一能用在活体动物成像实验中的反应。除了四嗪之外,反式环辛烯还可以和三嗪类化合物发生类似的环加成。

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除了反式环辛烯之外,具有张力的小环烯烃,如环丙烯、降冰片烯、氮杂环丁烯等,和四嗪之间也具有较强的反应活性,是比较理想的生物正交反应。

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图源:Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 4895--4950

3)光催化的生物正交反应

某些小分子吸收紫外或者可见光后,外层电子跃迁到激发态,此时可以克服反应的活化能,使一些在通常条件下难以发生的化学反应顺利进行。另一方面,由于光照的高度可控性,光化学反应提供了一种可以在时间和空间上对生物正交反应进行精准调控的可能性。比较有代表性的例子是2,5-二苯基四唑和巴豆酸类似物在紫外光下照射下的加成反应。

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图源:Angew.Chem., Int. Ed., 2008, 47, 2832–2835.

4)其他

除了上述这几个典型对例子之外,目前称得上生物正交反应的还有过渡金属催化的偶联反应【钯(Pd)、钌(Ru)等配合物等】、酮羰基化合物和羟胺 / 酰肼之间的缩合反应等几种。

▉生物正交反应的应用

介绍完了生物正交反应这个概念之后,大家脑海里可能会有这样一个疑问,就是这类反应究竟有哪些用处呢?实际上,生物正交反应在活细胞成像、药物可控靶向释放、抗体药物偶联,甚至聚合物化学、材料表面化学上面都有应用。

比如,利用基因工程等手段,将其中一个官能团事先整合到一个特定的生物大分子中,将另一个基团用化学合成的方法连接一个荧光基团,就可以实现在活细胞层面的成像,研究目标生物大分子的定位以及功能。

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图源:J Am Chem Soc. 2010 Mar 24; 132(11): 3688–3690.

利用一个精心设计的生物正交反应,可以实现特定分子的断键,如果把这个可断键分子整合到一个药物分子中制备成前药,此时该生物正交反应就可以实现药物的可控激活

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图源:SQ3370 Activates Cytotoxic Drug via Click Chemistry at Tumor and Elicits Sustained Responses in Injected & Non-injected Lesions

同样,在抗体大分子中,使用基因工程的手段在特定的位置整合一个能够发生生物正交反应的官能团,就可以将一个毒素或者核素分子连接到该抗体上面,得到定点修饰的抗体偶联药物

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图源:Bioconjugate Chem., 2011, 22, 2048–2059

如果把参与一个生物正交反应的两个官能团分别修饰到两段聚合物的边缘,就可以把这两段聚合物很方便地连接起来,得到具有更高分子量的聚合物。

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图源:Biomacromolecules, 2013, 14, 949–953

篇幅所限,以上简要介绍了生物正交反应的概念和应用,实际上类似的例子还有很多。这类反应提供了一种在复杂体系中特异性合成某种分子的可行性,目前这个领域发展还不到二十年的时间,应该还算是一个比较年轻的学科。随着技术的进步,未来必将在新药以及新材料的研发,以及用常规分子生物学手段难以解决的生物化学问题方面大有可为。

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关键词:
正交,反应,生物

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