近日，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院周翔/田沺教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合劉文博教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications 在線發(fā)表題為“A catalyst-free bioorthogonal reaction for malononitrile addition to azodicarboxylates”的研究論文，報(bào)道了一類無(wú)需催化劑的生物正交反應(yīng)體系 MAAD（malononitrile addition to azodicarboxylates）。黃宏貴博士、劉星宇博士、齊倩倩博士為共同第一作者，劉文博教授、田沺教授為共同通訊作者，武漢大學(xué)為唯一通訊單位。

生物正交反應(yīng)（bioorthogonal reaction）是在復(fù)雜生物體系中不干擾天然生命過程的高選擇性、高活性人工化學(xué)反應(yīng)。自Staudinger連接、CuAAC（銅催化疊氮-炔環(huán)加成）、SPAAC（張力促進(jìn)環(huán)加成）、四嗪-烯烴配對(duì)等經(jīng)典反應(yīng)體系被發(fā)明以來，化學(xué)生物學(xué)家可以在細(xì)胞甚至活體內(nèi)“精準(zhǔn)打標(biāo)簽”，追蹤蛋白、糖、脂質(zhì)和核酸的動(dòng)態(tài)變化，大幅拓展了對(duì)生命過程的化學(xué)解析能力。然而，現(xiàn)有生物正交反應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在如生物兼容性、反應(yīng)速度、底物合成難度以及與其他反應(yīng)的正交性等限制，這也推動(dòng)著新一代生物正交反應(yīng)的持續(xù)發(fā)展。

本工作中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了以丙二腈與疊氮二羧酸酯為反應(yīng)對(duì)的MAAD生物正交反應(yīng)。該反應(yīng)無(wú)需額外催化劑和添加劑，在室溫、水溶液及生理?xiàng)l件下即可快速、定量進(jìn)行，在寬pH范圍、離子強(qiáng)度及谷胱甘肽、蛋白等復(fù)雜背景下仍保持高選擇性和高轉(zhuǎn)化率，底物易于合成和改造，展現(xiàn)出優(yōu)異的生物兼容性和通用性。

依托這一新正交反應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了多種應(yīng)用場(chǎng)景：其一，利用帶丙二腈手柄的2'-OH 修飾試劑，實(shí)現(xiàn)RNA骨架的可控化學(xué)標(biāo)記，再通過MAAD反應(yīng)“一步點(diǎn)擊”連接生物素或熒光基團(tuán)，用于體外RNA富集和活細(xì)胞RNA成像；其二，將丙二腈模塊引入蛋白和抗體，結(jié)合MAAD反應(yīng)實(shí)現(xiàn)蛋白及細(xì)胞膜受體的特異性標(biāo)記和熒光示蹤，為抗體探針和膜蛋白成像提供了新策略。

更具特色的是，作者將MAAD反應(yīng)嵌入CRISPR體系，將丙二腈手柄修飾在sgRNA/crRNA上，通過MAAD反應(yīng)在化學(xué)修飾位點(diǎn)“放大”空間效應(yīng)，從而精細(xì)調(diào)控Cas9和Cas13a的活性，在不影響未修飾體系的前提下，有效控制并改善基因編輯的脫靶問題。這一思路將“標(biāo)簽化學(xué)”升級(jí)為“功能調(diào)控化學(xué)”，為提高CRISPR安全性提供了新型工具。

總體而言，MAAD反應(yīng)兼具新穎反應(yīng)模式、高度生物兼容性和良好正交性，可在核酸、蛋白標(biāo)記及基因編輯調(diào)控等多層次場(chǎng)景中發(fā)揮作用，有望進(jìn)一步拓展至活體成像、可控基因治療以及多通道化學(xué)生物學(xué)工具體系的構(gòu)建。

論文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41467-025-64727-x.