Noncanonical Amino Acids for Hypoxia-Responsive Peptide Self-Assembly and Fluorescence

化学 氨基酸 超分子化学 丙氨酸 荧光 硝基还原酶 生物物理学 生物化学 组合化学 分子 前药 生物 有机化学 量子力学 物理
作者
Binbin Hu,Na Song,Yawei Cao,Ming‐Ming Li,Xin Liu,Zhifei Zhou,Linqi Shi,Zhilin Yu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (34): 13854-13864 被引量:71
标识
DOI:10.1021/jacs.1c06435
摘要

Design of endogenous stimuli-responsive amino acids allows for precisely modulating proteins or peptides under a biological microenvironment and thereby regulating their performance. Herein we report a noncanonical amino acid 2-nitroimidazol-1-yl alanine and explore its functions in creation of the nitroreductase (NTR)-responsive peptide-based supramolecular probes for efficient hypoxia imaging. On the basis of the reduction potential of the nitroimidazole unit, the amino acid was synthesized via the Mitsunobu reaction between 2-nitroimidazole and a serine derivate. We elucidated the relationship between the NTR-responsiveness of the amino acid and the structural feature of peptides involving a series of peptides. This eventually facilitates development of aromatic peptides undergoing NTR-responsive self-assembly by rationally optimizing the sequences. Due to the intrinsic role of 2-nitroimidazole in the fluorescence quench, we created a morphology-transformable supramolecular probe for imaging hypoxic tumor cells based on NTR reduction. We found that the resulting supramolecular probes penetrated into solid tumors, thus allowing for efficient fluorescence imaging of tumor cells in hypoxic regions. Our findings demonstrate development of a readily synthesized and versatile amino acid with exemplified properties in creating fluorescent peptide nanostructures responsive to a biological microenvironment, thus providing a powerful toolkit for synthetic biology and development of novel biomaterials.
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