蛋白质等生物分子的化学修饰是研究和调节其功能的重要手段，发展高效、方便且可靠的生物分子修饰方案则具有重要意义。赖氨酸作为被广泛用于蛋白质修饰研究的氨基酸之一，具有特征性的伯胺残基。作为经典的重要修饰方法，NHS活化酯应用范围较广，且取得极大的成功，但存在水解稳定性及化学选择性等方面的普遍性问题；一些新的修饰方法如金属催化 (Buchwald, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 3177-3181) 也存在下游纯化和金属催化剂残留的问题。阿扎菲酮 (azaphilone) 是一类真菌聚酮类次生代谢产物，亿万年的自然界进化形成了独一无二的独特化学结构和化学反应特性。南京大学的姚祝军教授课题组早期针对天然产物chlorofusin的合成化学及反应机理研究的系列工作 (Wei, W.-G., Yao, Z.-J., J. Org. Chem., 2005, 70, 4585-4590； Qian, WJ； Yao, ZJ； et al., J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 6400-6401； Qiu, H.-B.； Yao, Z.-J.； et al., Tetrahedron Lett., 2014, 55, 6055-6059； Qiu, H.-B.； Yao, Z.-J.； et al., Tetrahedron., 2015, 71, 370-380) 表明，阿扎菲酮在温和弱碱性水相条件下可自发地与伯胺物种发生迅速且高度选择性的反应，生成化学性质稳定的乙烯基 γ-吡啶酮 (vPDN)， 其副产物仅为一分子的水。受此启发，南京大学姚祝军教授（点击查看介绍）和王欢教授（点击查看介绍）利用阿扎菲酮与伯胺之间独特的反应性质，最近发展了一种全新的高效、无痕迹的伯胺特异性偶联试剂并成功应用于多肽、蛋白质和磷脂的修饰工作。

　　首先，研究人员按照不同实验的需要，从阿扎菲酮基本骨架（图1，蓝色部分）出发设计并合成了一系列分子工具，例如AZA-1、AZA-2和AZA-3。

　　实验表明，分子工具AZA-1对赖氨酸残基具有非常专一的化学选择性（图2）。与此对比，包括半胱氨酸在内的其他亲核性氨基酸残基以及不同程度甲基化的赖氨酸残基都呈化学惰性。荧光光谱显示赖氨酸修饰产物的荧光性质明显提高，有利于修饰后大分子产物的荧光表征；反应动力学实验表明，反应迅速且速率随着pH的增加而提高；修饰产物在酸、碱及氧化条件下展示出高度的稳定性。

　　在此基础上，研究人员将AZA-1应用于对蛋白质的修饰（图3）。实验结果表明，AZA-1能够高效地修饰蛋白质中的赖氨酸残基以及N端胺基，并且修饰后的蛋白在480 nm蓝光激发下有荧光信号，使得修饰蛋白的检测更加便捷。进一步地，研究人员还概念性地论证了新的修饰工具AZA-2不仅可以实现对药用的曲妥珠单抗的数量可控交联修饰，且可以结合经典的炔烃-叠氮点击化学引入需要的功能物质（如荧光基团或细胞毒素）；细胞影像证明修饰后的抗体仍具备专一性识别ErbB2阳性乳腺癌细胞的能力，为ADC药物研发提供了一种新的潜在途径（详见论文原文）。

　　鉴于阿扎菲酮分子工具对伯胺高度的化学选择性修饰特性，研究者再次扩展将另一分子工具AZA-3应用于含有伯胺基团磷脂的修饰分析。鉴于革兰氏阳性菌与阴性菌、哺乳动物细胞在细胞膜磷脂组成上的显著差异，细胞影像（图4）清晰表明，分子工具AZA-3成功实现了对革兰氏阳性菌的选择性修饰，为复杂样品中革兰氏阳性菌病原体的检测提供了一种新的方便技术手段。

　　综上，南京大学的研究人员从天然阿扎菲酮的特殊化学性质中获得灵感，在本工作中创造性地设计并发展了一类新颖的、无需化学活化和催化剂驱动的高效清洁的伯胺选择性偶联试剂，并成功应用于不同场景下的多肽、蛋白质和氨基磷脂的修饰与影像展示。该标记试剂及其技术方案具有独特的反应机理、操作简单、化学选择性和生物相容性好等优点，并且试剂和产物都具有高度的化学稳定性。

　　南京大学姚祝军和王欢教授共同指导了此项工作。该工作的主要完成者为南京大学化学化工学院博士研究生伊善东，博士研究生魏思媛和吴青松参与承担了部分研究内容。研究计划获得国家自然科学基金委、国家重点研发计划和深圳市科技发展计划项目的共同资助。