过去，化学家从自然系统的复杂性和层次组织中得到灵感，从而构建了很多分子水平上的人造功能材料。他们利用单体间的协同性构建了大量的一维、二维、三维宏观分子和超分子同质或异质结构。其中，可调节光物理性质的有机染料，由于具有推-π-拉结构、氢键连接、π表面堆积的反应位点等特点，使它们在多纳米结构的构建上十分有前景。在这些有机染料中，香豆素由于具有不错的生物相容性和光性质而成为一种典型的染料，并具有形成明确的超分子结构的趋势。然而在很多的传统荧光系统中，自组装发光体中的共平面π堆积排列，即使在亚微摩尔浓度下也能通过非辐射通道的激发态弛豫部分或完全压制其发射性质。从实际应用的角度来看，这一过程阻碍了这类光学探针和传感器的广泛应用。然而，当以相反的方式如通过分解诱导发射(DIE)利用这一特性时，它们可能是有利的。这将使得这类化合物在高分辨率、超灵敏光谱和显微技术中的应用成为可能。

近日，瑞典于默奥大学医学生物化学与生物物理系Nasim Sabouri教授和Erik Chorell教授（共同通讯作者）在《Angew. Chem. Int. Ed.》上发表了题为“A Light-up Logic Platform for Selective Recognition of Parallel G-Quadruplex Structures via Disaggregation-Induced Emission”的研究论文。在这项工作中，研究者设计了对超分子结构的形成敏感的光信号开关染料，展示了一种新的开关机制。它依赖于高亮度的香豆素-喹唑啉共轭物的识别和驱动分解。这种探针通过超分子状态的分解来选择性的点亮平行G4结构，显示出易于集成到无标签分子逻辑系统中的输出信号优势。

图1.香豆素-喹唑啉(CQ)衍生物的合成路线。试剂和反应条件：(1)乙酸铵，氰基乙酸乙酯，无水乙醇，反应15 min，回流，产率(76-81%)；(2)DES，N，N-二异丙基乙胺，DMF，100 ^oC，12h(71-77%)

图2 A) 缓冲溶液CQ4的紫外/可见吸收光谱变化(C_CQ4=3.8 M，Tris缓冲液C=50 mm，pH=7.5)，未加入SDS(蓝线)和加入0-5 mM SDS后(红线)。 B)CQ4水溶液的AFM高度图像(C_CQ4=10 M)。C)SDS存在下，CQ4在波长526 nm处吸收曲线的变化。黑线对应于拟合的生长s形黑色虚线玻尔兹曼函数。其中黑色线条表示0.75 x 10^-3 M的临界浓度。D）在不同浓度的SDS存在下，CQ4的发射谱线。

图3 选择性检测机制的示意图：CQ4在溶液中形成具有ACQ特征的分子聚集体（中间）。在平行的G4S存在下，稳定配合物的形成通过DIE过程将弱发射聚集态转变为高发射G4-Cq4单体加合物(右)。相反，反平行和非G4结构无法完全取代CQ4的聚集状态，导致荧光恢复差(左)。

图4 a)在G4和非G4结构的大面板存在下，CQ4的荧光滴定清晰显示了对平行G4拓扑的切割偏好。实线与1∶1拟合模型在λ_em下对应。b)用CQ4染色的G4和非G4结构的非变性PAGE图像(左)。同样的凝胶也与噻唑橙共染色(右)，以显示结合的特异性。C_CQ4=1μM，C_TO=5μM，C_oligos=10μM，λ_exc=488 nm。

图5.在逐渐加入c-MYC sG4后，CQ4的紫外/可见吸收（实线）和荧光发射光谱（虚线）（C_CQ4=3.8或2.5 μM，Tris缓冲液C=50mm，C_KCl=100mm，pH=7.5）。叠加的虚线对应1：1总体拟合模型。插图为CQ4-c-MYC sG4系统的检测限(LOD).

图6.用摩尔比和Job’s plot法评估CQ4：C-MYC sG4化学计量学.垂直虚线表明了系统的化学计量。

图7 c-MYC sG4浓度的增加对CQ4聚集体解离动力学的影响。通过将动力学数据拟合成单指数函数，从而获得表观速率常数(k)。

图8. A) 使用G4末端堆叠器Phen-DC₃进行荧光位移测定的示意图。B-C)随着Phen-DC₃浓度的增加，CQ4-c-MYC sG4体系的荧光发射变化 (CQ4 = 2μM，c-MYC sG4 = 2μM ，Phen-DC3从0到10 μM变化)。

图9.A) CQ4(1μM)和Hoechst 33342染色的固定HeLa细胞共聚焦荧光图像。B)用RNA酶处理前后，Hoechst和CQ4(1μM)染色的HeLa细胞的荧光图像（上）。RNase处理前后，Hoechst和ThT(1μM)的荧光图像(下)。C)荧光位移法测定CQ4(1μM)和Phen-DC3(5μM)之间的荧光位移。刻度=15μm。在（A）和（C）中，Hoechst λexc=405 nm，λem=415~450 nm采用WLL二极管激光；λexc=4 72 nm，λem=4 82~794 nm。图9c中Phen-DC₃位移期间的额外清洗导致CQ4整体信号强度的下降。在图B中，Hoechst λexc=405 nm，λem 415-430 nm采用二极管激光器。THT成像λexc=458 nm，λem=468-782，CQ4氩激光λexc 476 nm，λem 486~782。

图10.A)二元抑制门的操作设计图。.B)具有不同输入条件的CQ4的荧光光谱。c)二元抑制栅极的示意真值表(左)和作为条形图(右)绘制的相关的标准化荧光响应。虚线表示阈值(0.3)。蓝色单链DNA序列代表富含G的寡核酸c-MYC sG4，淡蓝色圆圈是指K⁺离子，红色单链DNA序列表示富含C的寡聚物sC4。

文章设计了一种基于CQ的染料CQ4，该染料超分子和溶剂化显色特征。通过使用生物相关G4结构的大面板，评估了利用多聚集态相关的显著光变化实现散射诱导发射的可能性。这表明，在反平行G4 DNA拓扑结构、杂交的G4 DNA拓扑结构以及非G4 DNA拓扑结构存在的情况下，该探针能够对平行G4 DNA 拓扑结构选择性地发出信号。此外，通过设计一个二元抑制门，研究者将传感器的光学和超分子变化应用于一个可调的无标签的DNA逻辑纳米平台中。因此，该识别机制为设计选择性、灵敏的开关探针和先进的多输出逻辑电路提供了一条前景广阔的途径。.最后，CQ4在人细胞中靶向DNA G4结构的能力为潜在的序列选择性的体内超分子G4荧光探针的设计开辟了新的途径。

Nasim Sabouri，瑞典于默奥大学医学生物化学与生物物理学系研究员

研究方向

DNA解旋酶维持基因组完整性，癌症生物学

课题组主页

https://www.umu.se/en/staff/nasim-sabouri/?flik=presentation

Erik Chorell 瑞典于默奥大学医学生物化学与生物物理学系副研究员

研究方向

选择性结合并稳定G-四链体DNA结构的化合物的开发

课题组主页

https://www.umu.se/en/staff/erik-chorell/?flik=presentation

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201912027

DOI：10.1002/anie.201912027