陈鹏/樊新元团队开发空间靶向光催化的细胞标记与蛋白捕捉技术CAT-Ex

生命活动往往是多种细胞协同参与、时空高度调控的复杂过程。因此，对活体中的特定细胞及特定生命分子进行原位的标记、操纵及分析，是研究现代生物学问题的关键途径。基因工程方法（如融合荧光蛋白标签）能够在活细胞中提供精准的标记信号，但其应用范围受限，不适用于一些难以转染的样品（如原代细胞、临床样品等）。而近年来发展起来的生物正交反应能通过化学手段在生命活体中进行原位研究，为生物学研究提供了简单高效的工具。特别是近期涌现的生物正交光催化化学，能分别通过催化剂的靶向和外源光控同时实现精准的空间和时间分辨，具有时空灵活可控的巨大优势。

陈鹏/樊新元团队近日发表在 Chem 上的研究论文是继该团队围绕光催化反应而开发线粒体时空蛋白质组学技术CAT-Prox（ J. Am. Chem. Soc. 2021, 18714），以及RNA-蛋白质互作捕捉技术PhotoCAX（ Angew. Chem. Int. Ed. 2022, DOI: 10.1002/anie.202202008）等系列活细胞的光催化工具之后的一个重要进展。本研究中，作者借助抗体的靶向优势，通过抗体偶联光催化剂的策略将光催化剂靶向目标细胞表面，用于多细胞的复杂生物环境中特异性细胞原位标记、膜蛋白组时空解析以及癌细胞选择性可控杀伤，为复杂生物样品的精细时空研究奠定了技术基础（图1）。

作者首先设计通过抗体靶向的方式赋予光催化剂在特定细胞表面的定位能力。为此，作者通过点击化学构建了抗体-光催化剂偶联体，并分别通过荧光激活反应和细胞成像证实了抗体-光催化剂偶联体兼具光催化活性与细胞靶向能力。随后，通过细胞体系中的荧光激活实验，作者发现该偶联体在靶细胞表面有明显的光催化反应活性，表明CAT-Ex平台的构建取得初步成功。复杂生命体系中特定细胞的标记与捕获是重要的研究手段。作者通过将CAT-Ex与生物素分子的反应联用，设计了一种光催化介导的细胞选择性共价标记策略。作者以HER2阳性的癌细胞为靶标，将该策略分别在二元、多元以及小鼠肿瘤组织细胞体系中进行了验证，均能够有效地对靶细胞在光控条件下进行生物素共价标记，以方便后续的深度分析（图2）。