1. 生物核磁研究中顺磁探针拓展、顺磁探针手性与刚性优化及质量评价
核磁共振是从原子分辨角度测定生物大分子结构、互作与动态研究的重要工具，目前是在近生理条件下获取生物大分子复合物原子分辨动态结构的唯一技术。生物核磁中引入顺磁效应可以增强核磁共振检测灵敏度，尤其在测定蛋白质复合物间的相互作用和阐述大分子体系的动态特性方面具有显著的特点。在生物核磁研究中需要手性单一的顺磁探针，尤其在解决复杂的大分子复合物体系。苏循成课题组自2010年成立以来一直致力于发展高性能的顺磁探针并应用于复杂生物体系中。
2. 蛋白质定点修饰化学与高效蛋白质偶联反应
生物磁共振研究应用于高分辨蛋白质研究中的化学修饰需要反应条件温和以此保持蛋白质稳定完整的三维结构，并且反应必须具有高选择性。课题组根据蛋白质三维结构设计突变位点，通过蛋白质中不同位点半胱氨酸巯基的反应活性差异达到选择性修饰。自课题组成立以来，发展了一系列基于苯砜基取代的吡啶衍生物用于蛋白质的巯基高特异性的修饰，该反应可在水溶液中发生，可实现蛋白质温和修饰。基于该功能基团可以在蛋白质上定点引入荧光探针和功能磁探针。此外，苯砜基取代衍生物通过取代基效应可以应用于高效的蛋白质偶联反应，通过吡啶环上的F、PhSO2和其他醛基或酮的组合分步实现，该偶联反应条件温和，可以在近似生理条件下实现蛋白质近似“无痕”的高效偶联。该偶联反应特别适用于多结构域蛋白质的高效重建、多结构域蛋白质的选择性片段同位素标记，为解决生物核磁研究中的核磁信号重叠提供了有效途径。(Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2022 doi: 10.1002/anie.202205597)
图片来源：Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2022 doi: 10.1002/anie.202205597
3. 顺磁核磁共振(pNMR)和电子自旋共振(EPR)及在生物体系中的应用
通过顺磁效应可以放大主客体作用强弱，并且可以评价蛋白质中多结合位点对于客体分子的作用强弱和结合口袋的柔性。蛋白质弱相互作用体系特别是酶催化反应过程中蛋白质复合物过渡态或中间体的三维结构测定没有有效的方法，由于这类反应中间体寿命比较短并且丰度低，这类复合物的结构解析是目前生物物理技术的挑战。Sortase A是革兰氏阳性菌细胞壁蛋白形成过程中的重要转肽酶，目前已作为筛选抗生素的重要靶标。研究发现在溶液中Sortase A与其多肽底物能形成不稳定的硫酯中间体，并且这类中间体的半衰期在2.5小时以下，最高丰度在50 µM并且随着反应的进行而逐渐下降。利用本组发展的顺磁探针和选择性定点标记方法，在短时间内测定了中间体的PCS并以PCS为结构约束测定了Sortase A催化中间体的三维结构。(Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2016, 55, 13744‐13748. Chembiochem. 2019, 20, 2738‐2742. ) 在后续研究中，课题组进一步解析了Sortase A与其多肽底物复合物的三维结构并揭示了钙结合和底物识别如何在底物激活中协同作用。（ ACS Catal. 2023, 13, 11610-11624.）
图片来源：Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2016, 55, 13744‐13748.
生物核磁中的顺磁探针经验可以应用电子自旋工作研究中，课题组自2013年与以色列威兹曼研究院的Daniella Goldfarb教授合作，发展EPR研究领域中生物大分子中的双电子共振（double electron-electron resonance, DEER）测量。通过生物核磁优化的刚性顺磁探针可以提高DEER测定的距离分辨率，进而发展适用于细胞内DEER测定的顺磁探针并优化提高DEER测定的灵敏度，发展了一些性能优异的Gd探针。（ Dalton 2015, 44, 20812‐20816. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2017, 56, 2914‐2918. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 26944‐26956. J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 6119‐6123. J. Phys. Chem B. 2019, 123, 1050‐1059. Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21, 10217‐10227. Proc. Natl. Acad. Sci USA 2020, 117, 20566‐20575）
图片来源：Proc. Natl. Acad. Sci USA 2020, 117, 20566‐2057.
最近，课题组发展了一种以脂肪醛基作为连接基团的新的定点自旋标记方法，并基于此开发了一种新的蛋白质正交自旋标记策略可以通过一锅法实现对单个蛋白样品正交标记，借助不同PD-EPR方法进行距离测定，实现多个蛋白质距离约束的高准确性和高精度测定。（J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 234-246.）
图片来源：J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 234-246.
4. 生物有机分析与活细胞中重要功能小分子同时定量的核磁共振方法
利用19F-NMR同时定量测定生物流体和活细胞内重要功能小分子的方法。近年来，课题组发展了一系列高性能氟探针，可通过19F NMR实现生物流体以及细胞裂解液乃至活细胞水平上重要生物小分子的定量检测（如氨基酸，活性硫物种），并且检测限可达微摩尔级别。通过引入NHS基团作为官能团，可以与氨基酸或生物硫醇快速生成酰胺或硫酯产物，这些酰胺和硫酯产物的化学位移在19F NMR谱图上存在明显区分，从而可以实现生物硫醇的同时区分并定量检测。（ Chem. Commun. 2021, 57, 13154-13157. Anal. Chem. 2022, 94, 901-908. ）
基于前期设计的探针与GSH不可逆的反应特性使得细胞内GSH泄露从而在19F-NMR上观测到两种GSH与标签连接产物的信号。为进一步实现细胞内GSH的定量检测，课题组设计了一系列基于迈克尔受体的含氟探针，通过一种可逆的方式监测活细胞中GSH水平，并实时测定细胞对生长环境因素变化过程中GSH的定量变化及应对情况。(ACS Cent. Sci. 2023, 9, 1623-1632.)
图片来源：ACS Cent. Sci. 2023, 9, 1623-1632.
手性识别特别是定量分析是化学测量学和主-客体研究领域中的重要内容，最近通过在一个手性碳原子中心引入一个F原子通过该19F探针与氨基酸的反应形成稳定衍生物，不同D/L-氨基酸衍生物中19F的化学位移具有明显的化学位移差异，通过比较不同氨基酸衍生物的化学位移可以实现多种手性氨基酸的同时定量。（ Anal. Chem. 2022, 94, 7853-7860. Analyst 2023, 148, 233-238. ）
