Visualization of Biological Zinc Ions

Abstract

A new phosphorescent zinc sensor (Irdappz) has been designed and synthesized for applications in zinc bioimaging. The sensor construct was based on a biscyclometalated Ir(III) complex bearing two 2-(2,4-difluorophenyl)pyridinates and a charge-neutral 5-(pyridine-2-yl)pyrazin-2-amine (appz) ligand. A di-(2-picolyl)amine (DPA) zinc receptor was appended to the appz ligand, through a amide linker. The zinc sensor exhibited strong red phosphorescence (λ_(em) = 595 nm) at room temperature in buffered aqueous solutions (20 mM PIPES, pH = 7.4), and zinc binding led to a hypsochromic shift of 737 cm^(-1). The ratiometric phosphorescence zinc response was fully reversible and selective to zinc ions over other competing metal ions, including Na^(+), Mg^(2+), Ca^(2+), Cr^(2+), Mn^(2+), Fe^(2+), Fe^(3+), Co^(2+), Ni^(2+) and Cu^(2+). The biological utility of the zinc sensor was been demonstrated by visualizing exogenously supplied zinc ions in live HeLa cells. To understand the zinc sensing mechanism of the probe, we synthesized four analogous Ir(III) complexes which contained the partial structures of the DPA receptor. Mechanistic studies, including electrochemical measurements, quantum chemical calculations, and steady-state and transient photoluminescence spectroscopy experiments were performed for the complexes. The investigations suggested that the photophysical mechanism underlying the zinc response might involve modulation of photoinduced electron transfer and amide-iminol tautomerization.;본 연구에서는 생리학적으로 중요한 Zn^(2+) 전이 금속들의 센서로서의 적합한 선택성 및 가역성을 가지고 있는지 알아보기 위하여 red-인광을 내는 리간드를 설계하여 합성하였고, 그 특성을 연구하였습니다. 아연 이온 (Zn^(2+))을 효과적으로 검출하는 이리듐(III)고리금속화합물 (cyclometalated iridium complex) 인 Irdappz 를 합성하였고, 비교를 위해 아연 이온을 잡는 리간드가 없고, Irdappz와 유사한 4개의 이리듐(III) 착체를 합성하였습니다. 센서 및 이리듐(III)착체들의 구조는 고리금속화 이리듐 (III) 착체에 기반하여 합성하였습니다. 아연 센서는 상온조건하에 완충 수용액 (20 mM PIPES, pH = 7.4)에서 강한 적색 인광 (λ_(em) = 595 ㎚)을 보여주고 있습니다. 아연을 첨가하면, 737cm^(-1) 적색이동현상(hypsochromic shift)을 보여주고 있습니다. 또한 다른 경쟁 금속 이온들에 비해 아연 이온에 대한 선택성이 우수합니다. 아연의 생물학적 센서 응용은 HeLa 세포에서 외인성으로 공급한 아연 이온을 시각화함으로써 입증되었습니다. 또한 센서로서 아연 반응 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해서, DPA 수용체의 부분 구조를 함유 네 유사한의 Ir (III) 착물을 합성. 전기 화학 측정, 양자 화학 계산 및 정상 상태 및 광 발광 분광법 실험을 포함한 기계적 연구를 진행하였습니다. 이를 통해, 아연 반응기작은 광유도 전자 전달과 amide-iminol의 tautomerization의 변조를 포함하고 있음을 알 수 있습니다. 그러므로 이 센서는 red인광임에도 불구하고, 아연과 반응하여 인광의 변화를 보여주는 우수한 센서입니다. 하지만 일중항 산소 감광화 실험을 통해 100%의 수율로 일중항 산소를 생성하여 셀에 영향을 끼칠 수 있다는 한계가 있습니다. 이를 보완한 새로운 장파장의 인광 센서의 개발이 필요합니다.