近日，我所生物技术研究部分子探针与荧光成像研究组（1818组）徐兆超研究员、乔庆龙副研究员团队发现了一种新型“尾翼”介导的激发态分子内质子转移机制（ta-ESIPT），在对水/非水环境转变中表现出优异的ESIPT激活性能，并且在宽的极性范围内均可实现双荧光发射，被应用于活细胞内多种蛋白的比率识别、动态荧光成像与药物筛选。
团队基于这一机制并通过模块化分子工程策略，在传统荧光团中引入质子受体“尾翼”，即可将其转变为ESIPT荧光团，这使得ESIPT荧光团不再局限于共轭体系内存在分子内氢键的特定结构，解决了ESIPT荧光团生物相容性与环境敏感性难以兼得的难题，为开发新一代生物医学探针提供了通用型技术平台。
激发态分子内质子转移（Excited State Intramolecular Proton Transfer,ESIPT）作为荧光分子核心传感机制，被广泛应用于荧光探针、生物成像、分子逻辑器件及光电材料等领域。该机制的本质是荧光分子受光激发后，其激发态分子内邻近的质子给体与受体发生快速质子迁移（通常表现为烯醇式-酮式互变异构），进而产生特征性双波长发射。这种独特的双发射特性赋予ESIPT探针高精度比率检测能力，成为解析生物分子动态行为及微环境变化的理想工具。
传统ESIPT荧光团（如HBO、HBT等）因必须依赖共轭体系内的分子内氢键，长期面临识别选择性差、生物相容性差、设计局限三大技术瓶颈。而生物兼容性优异的经典荧光团（如萘酰亚胺、Acedan、NBD等）又无法具备ESIPT效应。基于前期提出的“变形受体”概念，即通过环境刺激驱动酰胺与亚氨酸之间的动态结构互变（J. Am. Chem. Soc.，2010；Chem. Soc. Rev.，2010；Chem. Commun.，2012；Dyes Pigm.，2016），研究团队在深入探究其分子作用机制时发现，“尾翼”结构能够实现对激发态质子转移过程的定向调控。具体而言，团队通过在荧光母核中引入脂肪胺“尾翼”结构，在激发态条件下，酰胺基团的质子能够精准转移至“尾翼”受体，进而形成稳定的ta-ESIPT双发射态。该机制在弱极性至强极性的多种溶剂中均保持稳定，且能智能识别水相环境自发关闭，提升了探针对非水微环境变化的响应敏感性。
研究团队利用ta-ESIPT的普适性特点，基于六种经典电荷转移型荧光团开发出系列靶向碳酸酐酶、亲和素、SNAP-tag、HaloTag等蛋白的比率型探针。实验证实，探针结合靶蛋白后触发显著荧光红移，实现活细胞内上述蛋白的动态比率成像与药物筛选。相较于传统ESIPT体系，ta-ESIPT平台具有模块化设计优势——仅需对现有经典荧光团进行微小化学修饰即可实现ESIPT功能扩展，在保持优异生物相容性的同时，解决了环境敏感性与分子适应性难以兼得的矛盾。
该研究将ESIPT荧光团的设计自由度拓展至非共轭依赖体系，建立了“即改即用”的探针开发范式，同时也深化了对复杂生物体系中质子转移机制的理解。通过实现纳米尺度微环境的高分辨解析，ta-ESIPT技术有望推动蛋白质动态互作、药物靶标筛选等领域的革新。
相关研究成果以“Tail-Assisted Excited-State Intramolecular Proton Transfer (ta-ESIPT) Fluorophores: A Universal Ratiometric Platform for Hydration-Sensitive Biomolecular Imaging and Sensing”为题，发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。该工作的第一作者是乔庆龙。该研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队项目、我所创新基金等项目的资助。（文/图 乔庆龙、徐兆超）
文章链接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c02725
