大連化物所提出熒光探針分子結構半定量設計方法

　　【儀表網 儀表研發】近日，中國科學院大連化學物理研究所復雜分子體系反應動力學研究組研究員韓克利團隊與生物分子功能研究組研究員樸海龍團隊合作，基于概念密度泛函理論中的局域親電性指數，提出了一種谷胱甘肽硫轉移酶(GST)檢測熒光探針的分子結構半定量設計方法。
 

　　谷胱甘肽硫轉移酶其主要功能是催化某些內源性或外來有害物質的親電子基團與還原型谷胱甘肽的巰基偶聯,增加其疏水性使其易于穿越細胞膜,并在被分解后排出體外,從而達到解毒的目的。
 

　　GST作為II期解毒酶，能夠催化谷胱甘肽(GSH)的巰基親核進攻親電性或疏水性物質，以實現其生理功能。它的多種亞型同工酶在許多腫瘤細胞系尤其是抗癌藥耐藥性細胞系中過表達，因而高信噪比檢測GST對于癌癥的早期診斷和治療具有重要意義。之前報道的GST熒光探針多采用2,4-二硝基苯磺酰基作為識別和反應基團，該基團雖能保證極高的靈敏度，但同時會帶來嚴重的背景噪音。這是由該基團對GSH可觀的非酶促化學反應活性導致的。為了得到高性能的實用型GST熒光探針，需要降低識別基團的背景反應噪音。然而，靈敏度與背景噪音往往是相互制衡的一對因素，因此，對反應活性的微調是找準平衡點的關鍵。
 

　　熒光探針是在紫外-可見-近紅外區有特征熒光，并且其熒光性質(激發和發射波長、 強度、壽命、 偏振等)可隨所處環境的性質，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“分子的基態性質由其基態電子密度所確定”這一定理出發，給出化學相關概念的確切物理定義及其表達式，從而可用于定量計算和衡量。
 

　　電子結構理論的經典方法，特別是Hartree-Fock方法和后Hartree-Fock方法，是基于復雜的多電子波函數的。密度泛函理論的主要目標就是用電子密度取代波函數做為研究的基本量。因為多電子波函數有 3N 個變量(N 為電子數，每個電子包含三個空間變量)，而電子密度僅是三個變量的函數，無論在概念上還是實際上都更方便處理。
 

　　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實的理論依據。Hohenberg-Kohn第一定理指出體系的基態能量僅僅是電子密度的泛函。
 

　　該工作中，研究團隊基于上述理論及GST酶促反應的芳香親核取代(SNAr)反應機理，創新性地將CDFT中的局域親電性指數ωk引入熒光探針的設計中，用于定量描述探針的背景反應活性，進而便于實現對反應活性有的放矢地微調。
 

　　非酶促反應動力學測試結果表明，參數ωk可以準確描述和預測探針分子與GSH的背景反應活性；酶促反應動力學測試結果則顯示，ωk值的大小總體上還可以代表靈敏度的強弱。值得注意的是，相對于酶促反應所對應的靈敏度kcat，非酶促反應所對應的背景噪音knonc對ωk值更敏感，這證明了通過微調ωk達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/識別機制上的優化，研究團隊還通過飛秒瞬態吸收光譜實驗和含時密度泛函理論計算證實，體系中的光致電子轉移(PET)過程在發光機制上對低背景噪音有所貢獻。該研究為基于SNAr反應的熒光探針或藥物分子的半定量設計提供了一種新思路。
 

　　資料來源：百科、大連化學物理研究所