北大陈鹏团队Nat. Chem.：实现活细胞蛋白质中苯丙氨酸的直接化学调控

图1. 文章截图。图片来源：Nat. Chem.

传统的化学反应通常在非生理条件下发展和建立，如何在“活细胞”这一生命活动的天然场所内发展生物相容的化学反应，不断拓展化学反应的应用边界，是化学家们孜孜以求的永恒命题之一。2022年诺贝尔化学奖授予点击化学与生物正交化学，正是对这一求索的最佳注释——它将高效的化学反应从试管移植到生命系统内，实现了对蛋白质、核酸等生物大分子的精准偶联与标记，让化学反应真正走进生命活动的现场。然而，传统的生物正交反应属于“成键”反应，难以对生物大分子的功能进行直接调控。

北京大学陈鹏课题组另辟蹊径，在国际上率先提出并发展了 “生物正交剪切反应”，通过与非天然氨基酸引入技术（GCE）有机结合，获得了原位调控特定蛋白质功能的蛋白质脱笼技术。目前，这一技术已经在包括赖氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、色氨酸在内的多个氨基酸上进行。但目前这一技术尚无法在更为惰性的纯碳氢结构的氨基酸侧链上进行。而这类纯碳氢结构的芳香侧链凭借疏水堆积和π相互作用，在蛋白质折叠、淀粉样纤维组装、抗原-抗体识别乃至免疫复合物形成等关键过程中发挥着不可替代的作用。由于这些侧链不含任何杂原子，传统的生物正交化学对其束手无策，如何在活细胞中原位精准地干预它们，便成为长期悬而未决的难题。

北京时间2026年9月2日，北京大学化学与分子工程学院陈鹏团队在国际学术期刊Nature Chemistry上发表了一项研究成果。该团队提出了一种名为“Halo-Decaging”（卤代脱笼）的生物正交化学策略，首次在活细胞层面实现了对不含杂原子的碳氢结构——苯丙氨酸（Phenylalanine, Phe）进行化学调控。该研究为化学生物学领域长期存在的苯丙氨酸侧链难以原位操控的问题提供了一种可行方案，也为在生命体系中干预由疏水与π相互作用驱动的生物过程，提供了新的化学工具。

给惰性碳装上外源手柄：寻找最优的化学开关

苯丙氨酸是20种天然氨基酸中极为特殊的一员。其侧链是一个纯粹的碳氢芳香环，不含任何氧、氮、硫等杂原子。因为这种纯粹的碳氢结构，苯丙氨酸在化学上表现出显著的惰性。传统的生物正交化学反应，无论是“点击化学”还是各种“脱笼”策略，几乎都依赖于靶分子上的杂原子（如氧、氮）作为反应位点。因此，在活细胞这个复杂且脆弱的环境中，如何对苯丙氨酸的“纯碳氢侧链”进行选择性的化学调控，是化学生物学领域长期面临的一项重大挑战。

面对这一挑战，陈鹏团队提出：既然苯丙氨酸的纯碳氢侧链上没有任何杂原子，那就主动在其芳香环上安装外源杂原子，通过形成碳-杂原子键（C–X，X = O, N, B, I等），人为制造一个可用于化学调控的“手柄”。基于这个思路，团队系统设计并评估了一系列碳-杂键（C–O、C–N、C–B、C–I）偶联的笼锁基团，以及与之对应的脱笼触发体系（钯催化剂/氢源、光、银试剂）。经过在生理条件下对这些组合的活性、稳定性与生物正交性的严格筛选，研究团队发现碘原子是理想的“笼锁”基团。

需要指出的是，碘的作用并不局限于充当钯催化脱除的反应位点。其共价半径约1.39 Å，与苯环上碳-碳键的键长（1.40 Å）非常接近，因此引入碘后会在芳环附近形成显著的空间阻碍。同时，密度泛函理论计算表明，碘取代还会使芳环的π电子云密度下降。这样，碘原子就可以借助立体位阻和电子诱导两种效应，共同削弱苯丙氨酸原本依赖的疏水堆积与π相互作用。而钯配合物/硼氢化钠（Na₂PdCl₄/NaBH₄）介导的脱碘反应则是高效、快速且生物兼容的“脱笼”触发反应，能实现“无痕恢复”，重新得到天然的苯丙氨酸。该反应在体外对模型底物的二级反应速率常数（k₂）达到了95 M⁻¹s⁻¹，可与经典的铜催化点击化学反应相媲美。更重要的是，该体系对活细胞表现出极低的毒性。

图2. 苯丙氨酸的结构、相互作用及脱笼化学的设计。图片来源：Nat. Chem.

从分子到细胞：全方位展示精准调控能力

为了证明该策略的普适性，研究团队在一系列从简单到复杂的生物体系中进行了验证：

1.小分子层面：利用碘原子的“重原子效应”可以淬灭芘（pyrene）的荧光，而脱笼反应则能快速恢复荧光，实现了对分子荧光的“开关”控制。

2.多肽自组装层面：通过碘代修饰可以促进β-淀粉样蛋白片段（Aβ₁₆₋₂₂）形成水凝胶，而钯催化的脱笼反应则能快速引发凝胶-溶液转变，为设计可编程的生物智能材料提供了新思路。

3.蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）层面：研究团队利用遗传密码子拓展技术，将碘代苯丙氨酸（mIF）定点插入到靶向HER2受体的亲和体（affibody）的关键结合界面。结果显示，碘代“笼锁”几乎完全破坏了亲和体与HER2的结合，而化学脱笼则显著恢复了二者的相互作用，实现了对细胞表面蛋白质相互作用的动态调控。

4.细胞相互作用层面：研究团队将该策略应用于肿瘤免疫中的抗原呈递过程。MHC-I类分子呈递的抗原肽中，苯丙氨酸是锚定在MHC分子疏水口袋中的关键残基。团队获得了在关键锚定位点（P5）被碘代苯丙氨酸替换的OVA抗原肽（OVA-PIF）。实验表明，这种“笼锁”抗原肽无法有效结合MHC分子，使肿瘤细胞无法被T细胞的识别。然而，在加入钯催化剂进行脱笼处理后，抗原肽恢复原始序列，有效地结合到MHC上形成功能化的抗原复合物，成功“唤醒”了肿瘤细胞的免疫原性，重新激活了T细胞。这一结果展示了一种全新的、通过化学手段在活细胞表面“编辑”免疫信号的思路。

图3. 基于苯丙氨酸脱笼化学的多尺度生物互作调控。图片来源：Nat. Chem.

从细胞表面到细胞内部：拓展碳氢结构化学调控的应用边界

在细胞表面成功实现多重调控的基础上，研究团队进一步将脱笼反应拓展至活细胞内部。针对细胞内高浓度谷胱甘肽等还原性物质易使钯催化剂失活的问题，团队引入电子贫乏的膦配体TFP，发展出Pd(TFP)₂Cl₂配合物，显著提升了催化体系在复杂胞内环境中的活性和稳定性。以此为基础，研究团队在活细胞内对碘代芘进行脱笼，实现了近50%的荧光信号恢复，活细胞成像直观证实了胞内脱笼的发生。该结果表明，基于苯丙氨酸的化学调控能力已从细胞表面延伸至细胞内部，为未来在胞质环境中原位调控蛋白质功能奠定了基础。

图4. 将苯丙氨酸脱笼化学拓展到活细胞内部。图片来源：Nat. Chem.

总体而言，该项研究的核心突破在于首次在活细胞中实现了对 “化学惰性”的苯丙氨酸的直接、特异性的化学调控。它打破了以往生物正交化学主要依赖天然杂原子的局限，将化学家在生命系统中操控化学相互作用的能力拓展到了纯粹的碳氢体系。该工作提出的“外源杂原子辅助脱笼”的通用策略有望被推广至其他非极性的生物分子，如药物分子和代谢物等。该项研究为在生命体系中原位、实时地研究由疏水相互作用驱动的动态过程提供了可能，对于深入理解蛋白质功能、细胞信号转导以及开发新型靶向治疗策略具有重要参考价值。

北京大学陈鹏教授、樊新元副研究员（现北京师范大学教授）为该论文的共同通讯作者。陈鹏课题组博士后朱玉超（现首都医学科学创新中心研究员）、博士研究生刘士博、秦珊为该论文的共同第一作者。该工作获得科技部、国家自然科学基金委、中国博士后科学基金会、北京市科学技术委员会、北京分子科学国家研究中心、深圳湾实验室重大项目、新基石科学基金会和科学探索奖等支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-026-02226-2

来源：北京大学