【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所復(fù)雜分子體系反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究組研究員韓克利團(tuán)隊(duì)與生物分子功能研究組研究員樸海龍團(tuán)隊(duì)合作，基于概念密度泛函理論中的局域親電性指數(shù)，提出了一種谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶(GST)檢測(cè)熒光探針的分子結(jié)構(gòu)半定量設(shè)計(jì)方法。
谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶其主要功能是催化某些內(nèi)源性或外來(lái)有害物質(zhì)的親電子基團(tuán)與還原型谷胱甘肽的巰基偶聯(lián),增加其疏水性使其易于穿越細(xì)胞膜,并在被分解后排出體外,從而達(dá)到解毒的目的。
GST作為II期解毒酶，能夠催化谷胱甘肽(GSH)的巰基親核進(jìn)攻親電性或疏水性物質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)其生理功能。它的多種亞型同工酶在許多腫瘤細(xì)胞系尤其是抗癌藥耐藥性細(xì)胞系中過(guò)表達(dá)，因而高信噪比檢測(cè)GST對(duì)于癌癥的早期診斷和治療具有重要意義。之前報(bào)道的GST熒光探針多采用2,4-二硝基苯磺酰基作為識(shí)別和反應(yīng)基團(tuán)，該基團(tuán)雖能保證極高的靈敏度，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的背景噪音。這是由該基團(tuán)對(duì)GSH可觀的非酶促化學(xué)反應(yīng)活性導(dǎo)致的。為了得到高性能的實(shí)用型GST熒光探針，需要降低識(shí)別基團(tuán)的背景反應(yīng)噪音。然而，靈敏度與背景噪音往往是相互制衡的一對(duì)因素，因此，對(duì)反應(yīng)活性的微調(diào)是找準(zhǔn)平衡點(diǎn)的關(guān)鍵。
熒光探針是在紫外-可見(jiàn)-近紅外區(qū)有特征熒光，并且其熒光性質(zhì)(激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)、 強(qiáng)度、壽命、 偏振等)可隨所處環(huán)境的性質(zhì)，如極性、折射率、粘度等改變而靈敏地改變的一類熒光性分子。
概念密度泛函理論(CDFT)從“分子的基態(tài)性質(zhì)由其基態(tài)電子密度所確定”這一定理出發(fā)，給出化學(xué)相關(guān)概念的確切物理定義及其表達(dá)式，從而可用于定量計(jì)算和衡量。
電子結(jié)構(gòu)理論的經(jīng)典方法，特別是Hartree-Fock方法和后Hartree-Fock方法，是基于復(fù)雜的多電子波函數(shù)的。密度泛函理論的主要目標(biāo)就是用電子密度取代波函數(shù)做為研究的基本量。因?yàn)槎嚯娮硬ê瘮?shù)有 3N 個(gè)變量(N 為電子數(shù)，每個(gè)電子包含三個(gè)空間變量)，而電子密度僅是三個(gè)變量的函數(shù)，無(wú)論在概念上還是實(shí)際上都更方便處理。
雖然密度泛函理論的概念起源于Thomas-Fermi模型，但直到Hohenberg-Kohn定理提出之后才有了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。Hohenberg-Kohn第一定理指出體系的基態(tài)能量?jī)H僅是電子密度的泛函。
該工作中，研究團(tuán)隊(duì)基于上述理論及GST酶促反應(yīng)的芳香親核取代(SNAr)反應(yīng)機(jī)理，創(chuàng)新性地將CDFT中的局域親電性指數(shù)ωk引入熒光探針的設(shè)計(jì)中，用于定量描述探針的背景反應(yīng)活性，進(jìn)而便于實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)活性有的放矢地微調(diào)。
非酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，參數(shù)ωk可以準(zhǔn)確描述和預(yù)測(cè)探針?lè)肿优cGSH的背景反應(yīng)活性；酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測(cè)試結(jié)果則顯示，ωk值的大小總體上還可以代表靈敏度的強(qiáng)弱。值得注意的是，相對(duì)于酶促反應(yīng)所對(duì)應(yīng)的靈敏度kcat，非酶促反應(yīng)所對(duì)應(yīng)的背景噪音knonc對(duì)ωk值更敏感，這證明了通過(guò)微調(diào)ωk達(dá)到降噪且保持高靈敏度的目的存在著可操作空間。
此外，除了反應(yīng)/識(shí)別機(jī)制上的優(yōu)化，研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)飛秒瞬態(tài)吸收光譜實(shí)驗(yàn)和含時(shí)密度泛函理論計(jì)算證實(shí)，體系中的光致電子轉(zhuǎn)移(PET)過(guò)程在發(fā)光機(jī)制上對(duì)低背景噪音有所貢獻(xiàn)。該研究為基于SNAr反應(yīng)的熒光探針或藥物分子的半定量設(shè)計(jì)提供了一種新思路。
資料來(lái)源：百科、大連化學(xué)物理研究所
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