Nat. Chem.：基因靶向光催化有機染料，實現特定活細胞內時空精準可控有機合成

在活細胞中實現非天然化學轉化是化學生物學領域的前沿挑戰。近年來，基因靶向化學組裝技術通過將合成酶或光敏蛋白質引入特定細胞類型，已在復雜生物體系中實現了局部聚合物的合成。然而，現有光催化體系存在明顯局限：以釕配合物為代表的金屬光催化劑主要局限于分解反應或生物分子標記，而基因編碼的光敏蛋白質（如miniSOG和KillerRed）需要較高光強（20 mW mm?2以上），存在細胞毒性風險，且其催化的反應類型大多僅限于氧化均聚。有機光催化染料兼具無金屬結構、可見光吸收可調性和豐富的催化反應類型等優勢，但其基因靶向表達尚未實現。

成果簡介

近日，斯坦福大學鮑哲南院士、Carolyn R. Bertozzi教授團隊利用基因靶向技術將有機光催化染料引入細胞表面和細胞內部，以實現細胞類型特異性和空間限定的催化。利用溫和的綠光至紅光可見光刺激，可將光催化限制在單個細胞水平。這些染料可催化交叉脫氫C–H鍵官能團化反應，實現光照和細胞特異性的原位C–C鍵構建。核定位的組裝可引導蛋白質轉位并產生反向的轉運方向性，從而展示了該方法在生成和增強化學生物學工具功能方面的實用性。研究預計，合成催化劑與細胞特異性靶向的整合將為未來在生物體內進行精準導向的非生物化學合成奠定重要基礎。

相關論文以“Genetically targeted photocatalytic organic dyes for spatiotemporally controlled organic synthesis in specific living cells”為題，發表在Nature Chemistry上。

圖文導讀

圖1 基因靶向光催化有機染料策略的整體設計

圖1展示了基因靶向光催化有機染料策略的整體設計。該體系的核心是HaloTag-9（HT9）與血小板衍生生長因子受體結構域（PDGFR）的融合蛋白，在延長因子-1α（EF-1α）啟動子驅動下實現人源密碼子優化的表達，其中PDGFR結構域將HT9錨定至細胞膜外表面，而通過內部核糖體進入位點（IRES）連接的熒光蛋白（BFP、GFP或oScarlet）則保留在細胞質中，用于指示HT9陽性細胞。HaloTag配體功能化的有機光催化染料（EY-HT、JF-567-HT或MB-HT）通過HaloTag與其底物氯代烷烴之間的共價鍵形成特異性連接，從而將光催化活性精確限定于基因定義的細胞群體。結合光照明，該體系實現了波長定義的光催化反應（cat），其空間精度由光照射區域決定，細胞特異性則由HT9表達決定，兩者疊加構成了“光+基因”雙門控的時空精準調控機制。

圖2 基因靶向光催化在細胞表面的光依賴性和細胞特異性

圖2通過DHTz光氧化生成Tz的模型反應，驗證了基因靶向光催化在細胞表面的光依賴性和細胞特異性。首先，在體外溶液中，EY-HT、JF-567-HT和MB-HT分別在530、565和660 nm LED（90 μW mm?2）照射下催化DHTz轉化為Tz，速率常數分別為2.11×10?3、1.15×10?3和3.47×10?3 s?1，產物Tz可與Cy5-TCO探針發生點擊連接，HPLC-ESI-TOF-MS分析證實了點擊加合物的生成。在細胞實驗中，HEK293FT細胞經代謝標記引入疊氮基團后，通過無銅點擊化學將DBCO-DHTz偶聯至所有細胞表面，而EY-HT/JF-567-HT僅標記HT9陽性細胞，形成“染料+DHTz”與“僅DHTz”兩種細胞群體。光照后，只有同時具備染料和光照兩個條件的細胞才能檢測到Cy5-TCO熒光信號。定量分析顯示，光照組較非光照組的β值顯著升高（1.43±0.17，P<0.0001），HT9陽性細胞較陰性細胞也顯著升高（2.39±0.18，P<0.0001）。在HEK293FT與小鼠海馬膠質細胞共培養體系中，Cy5信號特異性定位于oScarlet陽性的HEK293FT細胞，而膠質細胞信號與背景無顯著差異（P=0.8578）。上述結果充分證明了該光催化體系的雙重門控特性，光照明提供時間控制，HT9表達提供細胞類型特異性。

圖3 共聚焦激光光圖案化技術實現單細胞分辨率光催化的能力

圖4 三種有機染料在綠至紅光區域的正交光催化性能

圖5 靶向性原位交叉偶聯C–H官能化

圖6 細胞器特異性原位合成實現靶向蛋白質再定位

結論展望

該項工作建立了一種在生命系統中進行基因靶向、光控有機合成的通用策略，將光氧化還原催化拓展至細胞類型特異性、單細胞分辨率的合成代謝轉化。通過將有機染料共價連接至HaloTag，實現了在綠光至紅光光譜范圍內的低功率、空間受限且正交可尋址的光催化，從而能夠進行生理相容的C–H鍵官能團化以及驅動靶向蛋白質轉位的雙功能配體原位組裝。后者凸顯了原位合成的重要性，合成位點所編碼的表型是傳統外源遞送方式無法實現的。染料骨架、基因標簽和底物的模塊化特性，為細胞器特異性配體構建、多色邏輯門控以及體內應用（包括按需、細胞類型特異性的藥理學活性化合物合成）提供了技術藍圖。

文獻信息

Zhao, S., Loh, K.Y., Tyson, J. et al. Genetically targeted photocatalytic organic dyes for spatiotemporally controlled organic synthesis in specific living cells. Nat. Chem. (2026). https://doi.org/10.1038/s41557-026-02195-6

（來源：網絡版權屬原作者 謹致謝意）