近日，北京大学化学与分子工程学院的陈鹏团队和首都医学科学创新中心的朱玉超研究员在Nature Chemistry杂志发表了题为“Palladium-triggered bioorthogonal phenylalanine decaging”的研究论文。这项研究的核心突破在于首次在活细胞层面实现了对 “化学惰性”的苯丙氨酸的直接、特异性和生物正交的化学调控。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分子相互作用的能力拓展到了纯粹的碳氢体系。
1. 研究的问题
这项研究聚焦于一个核心问题：能否在活细胞层面，对苯丙氨酸（Phe）这类不含任何杂原子的“纯碳氢结构”芳香侧链，实现直接、特异性和生物正交的化学调控？
2. 研究难点
在生命体系中，大量核心功能并非由极性官能团驱动，而是依赖于苯丙氨酸这类纯碳氢结构的芳香侧链——它们凭借疏水堆积和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，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。
3. 研究突破与发现
面对这一挑战，研究团队提出：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，而钯配合物/硼氢化钠（Na₂PdCl₄/NaBH₄）则是高效、快速且生物兼容的“脱笼”触发体系。
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。
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。
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。
将苯丙氨酸脱笼化学拓展到活细胞内部。
图片来源：Nat. Chem.
4. 主要影响
总体而言，这项研究的核心突破在于首次在活细胞层面实现了对 “化学惰性”的苯丙氨酸的直接、特异性和生物正交的化学调控。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。这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。
挑战
这个项目历时六年，但最困难的部分在于打破传统认知。长期以来，人们一直认为生命体系中的断键化学必须依赖天然存在的杂原子作为“抓手”。苯丙氨酸的纯烃侧链缺乏这样的抓手，因而被认为在化学上是惰性的，无法被直接调控。这一假设根深蒂固，以至于没有人考虑过去挑战它。研究团队起初也很难想象一种纯碳氢结构能够在活细胞中通过化学反应被控制。但在多轮讨论之后，研究人员意识到，关键的局限并不在于碳骨架本身的惰性，而在于“天然杂原子必不可少”这一预设。如果能够先引入一个外源杂原子、随后再将其移除，那么整个过程仍可在不依赖天然抓手的情况下运行。所缺少的，只是有人愿意通过实验系统性地去寻找这样一对“笼化/脱笼”基团。
在打破这一观念之后，更实际的困难是从无到有地建立一套全新的笼锁/脱笼化学：需要系统设计并筛选多种碳-杂原子键和相应的触发体系。于是，研究人员花了数年时间从零开始设计和筛选，最终才鉴定出碘/钯这一组合，它同时满足了快速、选择性、生物正交以及在活细胞环境中生物兼容等苛刻条件。
亮点
本工作特别值得关注的亮点在于，它真正把生物正交化学的应用空间拓展到了以往被认为无法触及的苯丙氨酸的纯碳氢侧链。过去相当长的时间里，该领域几乎都在由氧、氮、硫等杂原子定义的化学空间内运行，因为这些原子为选择性反应提供了天然手柄。而这项工作通过在原本惰性的芳香环上先引入再脱除碳-杂原子键，提出了一种“外源杂原子辅助脱笼”的通用逻辑，原则上可以推广到其他非极性生物分子、药物骨架和代谢物。它不是对已有反应的简单改进，而是将活细胞化学可调控的场景拓展到了苯环这种纯碳氢结构，这一点尤其令人兴奋。
创新中心朱玉超研究员为本文的第一作者，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。陈鹏课题组博士研究生刘士博、秦珊为该论文的共同第一作者。该研究由北京大学化学与分子工程学院、首都医科大学基础医学院、首都医学科学创新中心医学生理学研究所、新基石实验室、北大清华生命联合中心和深圳湾实验室共同完成。该工作获得了科技部、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的支持。
朱玉超
首都医学科学创新中心 研究员
朱玉超实验室致力于将生物技术与合成化学深度融合，助力活细胞化学遗传学研究。朱玉超博士具有合成化学及活细胞化学训练背景，代表工作包括活细胞色氨酸脱笼（Nature Chemistry, 2024）和活细胞苯丙氨酸脱笼（Nature Chemistry, 2026）技术，银催化的氧中心自由基新反应开发（Angew, 2020; Nat. Commun, 2018; ACS Catal, 2016; Org. Lett. 2015)。实验室将结合非天然氨基酸插入技术，开展新型生物正交反应、蛋白质及多肽靶向策略以及化学遗传学工具等方向，为具有有机合成、药物化学背景的研究者提供了将分子构建能力转化为活细胞化学工具的广阔舞台。
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