荧光成像显微镜为生命科学和医药学研究提供了最为重要的成像工具。然而由于光衍射作用，传统荧光显微镜分辨率最高为200纳米左右。而超分辨显微成像技术,如受激辐射损耗(STED)显微术和单分子定位成像（SMLM），可突破光衍射极限，将显微镜分辨率提高到几十甚至几个纳米，为观测细胞微观结构、单分子层次追踪药物靶向蛋白及研究蛋白间相互作用提供了前所未有的际遇。
基于罗丹明类染料构建的荧光探针是目前活细胞超分辨成像中最为常用的探针。罗丹明类染料的独特之处在于可形成两种不同结构的动态平衡：1.具有强荧光的两性离子结构（开环）2.无荧光但具有高透膜能力的螺内酯结构（闭环）。在之前的研究（Nat Chem,2020,12,165）中，复旦大学王璐青年研究员和马克思普朗克医学研究所Kai Johnsson教授提出一种罗丹明类染料优化的普适性方法：通过引入缺电子磺酰胺结构，将罗丹明染料转化为闭环结构，可快速透膜且背景荧光极低；而与目标蛋白结合之后，染料可转化为开环结构，荧光信号大幅增强，进而实现高信噪比、免洗活细胞成像（图1）。此类探针命名为MaP探针，（Spirochrome公司商业化名称：SPY探针），可用于标签蛋白（SNAP-tag和HaloTag）、细胞骨架（肌动蛋白和微管蛋白）等特定蛋白的免洗、多色、活细胞STED超分辨成像。
图1.可用于免洗、多色、活细胞超分辨成像的MaP荧光探针
近日，王璐青年研究员和Kai Johnsson教授通过引入不同取代的苯磺酰胺以及烷基酰胺，能够更精准、更大范围地调节开闭环结构的平衡。在基本不改变染料光学性质的基础上，通过调节开闭环结构的比例，以满足不同蛋白标记、不同超分辨显微成像技术的特定需要。
基于罗丹明500R染料，引入不同苯磺酰胺结构，精确调节开闭环结构的平衡，进而调节细胞内目标蛋白和背景荧光信号的相对比值，实现免洗条件下活细胞内高信噪比成像（图2）。
图2.精确调节开闭环结构的平衡，实现细胞内高信噪比免洗成像
而通过引入给电子能力更强的烷基酰胺的结构，可使罗丹明类染料大部分处于无荧光螺内酯结构，仅少数分子发射荧光信号。同时，此类染料由于动态平衡过程可产生自闪烁荧光信号，因而可用于微管蛋白和核孔结构的单分子定位超分辨成像（SMLM）（图3）。
图3.调节两性离子与螺内酯结构的比例，构建自闪烁荧光探针用于SMLM超分辨成像
此类新型探针光学性质优越，为活细胞中单分子层次观测药物靶标蛋白及构建基于单分子成像的药物筛选平台提供了有力工具。Kai Johnsson教授和王璐青年研究员为共同通讯作者，文章的第一作者是博士生Nicolas Lardon。
论文信息
Nicolas Lardon, Lu Wang*, Aline Tschanz, Philipp Hoess, Mai Tran, Elisa D’Este, Jonas Ries, and Kai Johnsson*, Tuning of Rhodamine Spirocyclization for Super-resolution Microscopy.J. Am. Chem. Soc. 2021, doi.org/10.1021/jacs.1c05004.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c05004
