Optimized Red-Absorbing Dyes for Imaging and Sensing

化学 遥感 地质学
作者
Jonathan B. Grimm,Ariana N. Tkachuk,Ronak Patel,S. Thomas Hennigan,Alina Gutu,Peng Dong,Valentina Gandin,Anastasia M. Osowski,Katie L. Holland,Zhe Liu,Timothy A. Brown,Luke D. Lavis
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (42): 23000-23013 被引量:90
标识
DOI:10.1021/jacs.3c05273
摘要

[Image: see text] Rhodamine dyes are excellent scaffolds for developing a broad range of fluorescent probes. A key property of rhodamines is their equilibrium between a colorless lactone and fluorescent zwitterion. Tuning the lactone–zwitterion equilibrium constant (K(L–Z)) can optimize dye properties for specific biological applications. Here, we use known and novel organic chemistry to prepare a comprehensive collection of rhodamine dyes to elucidate the structure–activity relationships that govern K(L–Z). We discovered that the auxochrome substituent strongly affects the lactone–zwitterion equilibrium, providing a roadmap for the rational design of improved rhodamine dyes. Electron-donating auxochromes, such as julolidine, work in tandem with fluorinated pendant phenyl rings to yield bright, red-shifted fluorophores for live-cell single-particle tracking (SPT) and multicolor imaging. The N-aryl auxochrome combined with fluorination yields red-shifted Förster resonance energy transfer (FRET) quencher dyes useful for creating a new semisynthetic indicator to sense cAMP using fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM). Together, this work expands the synthetic methods available for rhodamine synthesis, generates new reagents for advanced fluorescence imaging experiments, and describes structure–activity relationships that will guide the design of future probes.
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