New fluorescent sensors have been developed, utilizing the aggregation-induced emission (AIE) attribute of silole and tetraphenylethene luminogens. In this feature article, we briefly summarize recent progress in the development of AIE-based bio/chemosensors for assays of nuclease and AChE activities, screening of inhibitors, and detection of various analytes including charged biopolymers, ionic species, volatile and explosive organic compounds.

Microsomal NADPH–cytochrome P450 reductase (CPR) is one of only two mammalian enzymes known to contain both FAD and FMN, the other being nitric-oxide synthase. CPR is a membrane-bound protein and catalyzes electron transfer from NADPH to all known microsomal cytochromes P450. The structure of rat liver CPR, expressed in Escherichia coli and solubilized by limited trypsinolysis, has been determined by x-ray crystallography at 2.6 Å resolution. The molecule is composed of four structural domains: (from the N- to C- termini) the FMN-binding domain, the connecting domain, and the FAD- and NADPH-binding domains. The FMN-binding domain is similar to the structure of flavodoxin, whereas the two C-terminal dinucleotide-binding domains are similar to those of ferredoxin–NADP + reductase (FNR). The connecting domain, situated between the FMN-binding and FNR-like domains, is responsible for the relative orientation of the other domains, ensuring the proper alignment of the two flavins necessary for efficient electron transfer. The two flavin isoalloxazine rings are juxtaposed, with the closest distance between them being about 4 Å. The bowl-shaped surface near the FMN-binding site is likely the docking site of cytochrome c and the physiological redox partners, including cytochromes P450 and b 5 and heme oxygenase.

Significance The therapeutic potential of protein-based genome editing is dependent on the delivery of proteins to appropriate intracellular targets. Here we report that combining bioreducible lipid nanoparticles and negatively supercharged Cre recombinase or anionic Cas9:single-guide (sg)RNA complexes drives the self-assembly of nanoparticles for potent protein delivery and genome editing. The design of bioreducible lipids facilitates the degradation of nanoparticles inside cells in response to the reductive intracellular environment, enhancing the endosome escape of protein. In addition, modulation of protein charge through either genetic fusion of supercharged protein or complexation of Cas9 with its inherently anionic sgRNA allows highly efficient protein delivery and effective genome editing in mammalian cells and functional recombinase delivery in the rodent brain.

DNA hydrolysis mediated by di- and multi-nuclear metal complexes is of increasing importance in biotechnology and medicine. Many systems for enzyme-mediated nucleic acid hydrolysis, including type II restriction endonucleases and phosphatases, contain di- and multi-nuclear metal active sites. Recent progress in the design of di- and multi-nuclear metal artificial nucleases has included Fe3+, Zn2+, Cu2+, Co3+ and Ln3+/4+-azamacrocyclic, aminocarboxylic and pyridyl- or benzimidazolyl-based organic ligands complexes and their conjugates to biomacromolecules. The focus in this article is on di- and multi-nuclear metal complexes that promote DNA cleavage via hydrolytic rather than oxidative pathway. Our purpose is to highlight the relationships between the structures of di- and multi-nuclear metal complexes and their functions, the cooperativities between metal and ligands and between metal sites in the course of DNA hydrolysis and the problems that are faced toward the development of di- and multi-nuclear metal-based artificial restriction enzymes by applying the principles of coordination chemistry and enzymatic chemistry. In order to be able to conveniently compare kinetic data that have been reported for many di- and multi-nuclear metal complexes, we propose two parameters α and β that are associated with the kinetic studies on DNA hydrolysis. The former α is defined as the ratio of the hydrolytic rate constant mediated by a di- or multi-nuclear metal complex to that by the analogous mononuclear complex under identical or similar conditions, indicating the degree of cooperativity between metal sites. The latter β is recognized as a rate enhancement over unhydrolyzed double-stranded DNA.

Metal–organic frameworks (MOFs) are an emerging class of nanocarriers for drug delivery, owing to their tunable chemical functionality. Here we report ATP-responsive zeolitic imidazole framework-90 (ZIF-90) as a general platform for cytosolic protein delivery and CRISPR/Cas9 genome editing. The self-assembly of imidazole-2-carboxaldehyde and Zn2+ with protein forms ZIF-90/protein nanoparticles and efficiently encapsulates protein. It was found that, in the presence of ATP, the ZIF-90/protein nanoparticles are degraded to release protein due to the competitive coordination between ATP and the Zn2+ of ZIF-90. Intracellular delivery studies showed that the ZIF-90/protein nanoparticle can deliver a large variety of proteins into the cytosol, regardless of protein size and molecular weight. The delivery of cytotoxic RNase A efficiently prohibits tumor cell growth, while the effective delivery of genome-editing protein Cas9 knocks out the green fluorescent protein (GFP) expression of HeLa cells with efficiency up to 35%. Given the fact that ATP is upregulated in disease cells, it is envisaged that the ATP-responsive protein delivery will open up new opportunities for an advanced protein delivery and CRISPR/Cas9 genome editing for targeted disease treatment.

Zeolitic imidazole frameworks (ZIFs) are an emerging class of functional porous materials with promising biomedical applications such as molecular sensing and intracellular drug delivery. We report herein the first example of using nanoscale ZIFs (i.e., ZIF-90), self-assembled from Zn2+ and imidazole-2-carboxyaldehyde, to target subcellular mitochondria and image dynamics of mitochondrial ATP in live cells. Encapsulation of fluorescent Rhodamine B (RhB) into ZIF-90 suppresses the emission of RhB, while the competitive coordination between ATP and the metal node of ZIF-90 dissembles ZIFs, resulting in the release of RhB for ATP sensing. With this method, we are able to image mitochondrial ATP in live cells and study the ATP level fluctuation in cellular glycolysis and apoptosis processes. The strategy reported here could be further extended to tune nanoscale ZIFs inside live cells for targeted delivery of therapeutics to subcellular organelles for advanced biomedical applications.

NAC (N-acetyl-L-cysteine) is commonly used to identify and test ROS (reactive oxygen species) inducers, and to inhibit ROS. In the present study, we identified inhibition of proteasome inhibitors as a novel activity of NAC. Both NAC and catalase, another known scavenger of ROS, similarly inhibited ROS levels and apoptosis associated with H2O2. However, only NAC, and not catalase or another ROS scavenger Trolox, was able to prevent effects linked to proteasome inhibition, such as protein stabilization, apoptosis and accumulation of ubiquitin conjugates. These observations suggest that NAC has a dual activity as an inhibitor of ROS and proteasome inhibitors. Recently, NAC was used as a ROS inhibitor to functionally characterize a novel anticancer compound, piperlongumine, leading to its description as a ROS inducer. In contrast, our own experiments showed that this compound depicts features of proteasome inhibitors including suppression of FOXM1 (Forkhead box protein M1), stabilization of cellular proteins, induction of ROS-independent apoptosis and enhanced accumulation of ubiquitin conjugates. In addition, NAC, but not catalase or Trolox, interfered with the activity of piperlongumine, further supporting that piperlongumine is a proteasome inhibitor. Most importantly, we showed that NAC, but not other ROS scavengers, directly binds to proteasome inhibitors. To our knowledge, NAC is the first known compound that directly interacts with and antagonizes the activity of proteasome inhibitors. Taken together, the findings of the present study suggest that, as a result of the dual nature of NAC, data interpretation might not be straightforward when NAC is utilized as an antioxidant to demonstrate ROS involvement in drug-induced apoptosis.

Abstract A main challenge to broaden the biomedical application of CRISPR/Cas9 (clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR) associated protein 9) genome editing technique is the delivery of Cas9 nuclease and single‐guide RNA (sgRNA) into the specific cell and organ. An effective and very fast CRISPR/Cas9 genome editing in vitro and in vivo enabled by bioreducible lipid/Cas9 messenger RNA (mRNA) nanoparticle is reported. BAMEA‐O16B, a lipid nanoparticle integrated with disulfide bonds, can efficiently deliver Cas9 mRNA and sgRNA into cells while releasing RNA in response to the reductive intracellular environment for genome editing as fast as 24 h post mRNA delivery. It is demonstrated that the simultaneous delivery of Cas9 mRNA and sgRNA using BAMEA‐O16B knocks out green fluorescent protein (GFP) expression of human embryonic kidney cells with efficiency up to 90%. Moreover, the intravenous injection of BAMEA‐O16B/Cas9 mRNA/sgRNA nanoparticle effectively accumulates in hepatocytes, and knocks down proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 level in mouse serum down to 20% of nontreatment. The leading lipid nanoparticle, BAMEA‐O16B, represents one of the most efficient CRISPR/Cas9 delivery nanocarriers reported so far, and it can broaden the therapeutic promise of mRNA and CRISPR/Cas9 technique further.

A novel approach toward the construction of multicomponent two-dimensional (2-D) and three-dimensional (3-D) metallosupramolecules is reported. Simply by mixing carboxylate and pyridyl ligands with cis-Pt(PEt3)2(OTf)2 in a proper ratio, coordination-driven self-assembly occurs, allowing for the selective generation of discrete multicomponent structures via charge separation on the metal centers. Using this method, a variety of 2-D rectangles and 3-D prisms were prepared under mild conditions. Moreover, multicomponent self-assembly can also be achieved by supramolecule-to-supramolecule transformations. The products were characterized by 31P and 1H multinuclear NMR spectroscopy, electrospray ionization mass spectrometry, and pulsed-field-gradient spin echo NMR techniques together with computational simulations.

Abstract An efficient and safe method to deliver active proteins into the cytosol of targeted cells is highly desirable to advance protein‐based therapeutics. A novel protein delivery platform has been created by combinatorial design of cationic lipid‐like materials (termed “lipidoids”), coupled with a reversible chemical protein engineering approach. Using ribonuclease A (RNase A) and saporin as two representative cytotoxic proteins, the combinatorial lipidoids efficiently deliver proteins into cancer cells and inhibit cell proliferation. A study of the structure–function relationship reveals that the electrostatic and hydrophobic interactions between the lipidoids and the protein play a vital role in the formation of protein–lipidoid nanocomplexes and intracellular delivery. A representative lipidoid (EC16‐1) protein nanoparticle formulation inhibits cell proliferation in vitro and suppresses tumor growth in a murine breast cancer model.