大连化物所提出荧光探针分子结构半定量设计方法
- 2020/5/12 10:56:15 28772
- 来源：仪表网
【仪表网 仪表研发】近日，中国科学院大连化学物理研究所复杂分子体系反应动力学研究组研究员韩克利团队与生物分子功能研究组研究员朴海龙团队合作，基于概念密度泛函理论中的局域亲电性指数，提出了一种谷胱甘肽硫转移酶(GST)检测荧光探针的分子结构半定量设计方法。
谷胱甘肽硫转移酶其主要功能是催化某些内源性或外来有害物质的亲电子基团与还原型谷胱甘肽的巯基偶联,增加其疏水性使其易于穿越细胞膜,并在被分解后排出体外,从而达到解毒的目的。
GST作为II期解毒酶，能够催化谷胱甘肽(GSH)的巯基亲核进攻亲电性或疏水性物质，以实现其生理功能。它的多种亚型同工酶在许多肿瘤细胞系尤其是抗癌药耐药性细胞系中过表达，因而高信噪比检测GST对于癌症的早期诊断和治疗具有重要意义。之前报道的GST荧光探针多采用2,4-二硝基苯磺酰基作为识别和反应基团，该基团虽能保证极高的灵敏度，但同时会带来严重的背景噪音。这是由该基团对GSH可观的非酶促化学反应活性导致的。为了得到高性能的实用型GST荧光探针，需要降低识别基团的背景反应噪音。然而，灵敏度与背景噪音往往是相互制衡的一对因素，因此，对反应活性的微调是找准平衡点的关键。
荧光探针是在紫外-可见-近红外区有特征荧光，并且其荧光性质(激发和发射波长、 强度、寿命、 偏振等)可随所处环境的性质，如极性、折射率、粘度等改变而灵敏地改变的一类荧光性分子。
概念密度泛函理论(CDFT)从“分子的基态性质由其基态电子密度所确定”这一定理出发，给出化学相关概念的确切物理定义及其表达式，从而可用于定量计算和衡量。
电子结构理论的经典方法，特别是Hartree-Fock方法和后Hartree-Fock方法，是基于复杂的多电子波函数的。密度泛函理论的主要目标就是用电子密度取代波函数做为研究的基本量。因为多电子波函数有 3N 个变量(N 为电子数，每个电子包含三个空间变量)，而电子密度仅是三个变量的函数，无论在概念上还是实际上都更方便处理。
虽然密度泛函理论的概念起源于Thomas-Fermi模型，但直到Hohenberg-Kohn定理提出之后才有了坚实的理论依据。Hohenberg-Kohn第一定理指出体系的基态能量仅仅是电子密度的泛函。
该工作中，研究团队基于上述理论及GST酶促反应的芳香亲核取代(SNAr)反应机理，创新性地将CDFT中的局域亲电性指数ωk引入荧光探针的设计中，用于定量描述探针的背景反应活性，进而便于实现对反应活性有的放矢地微调。
非酶促反应动力学测试结果表明，参数ωk可以准确描述和预测探针分子与GSH的背景反应活性；酶促反应动力学测试结果则显示，ωk值的大小总体上还可以代表灵敏度的强弱。值得注意的是，相对于酶促反应所对应的灵敏度kcat，非酶促反应所对应的背景噪音knonc对ωk值更敏感，这证明了通过微调ωk达到降噪且保持高灵敏度的目的存在着可操作空间。
此外，除了反应/识别机制上的优化，研究团队还通过飞秒瞬态吸收光谱实验和含时密度泛函理论计算证实，体系中的光致电子转移(PET)过程在发光机制上对低背景噪音有所贡献。该研究为基于SNAr反应的荧光探针或药物分子的半定量设计提供了一种新思路。
资料来源：百科、大连化学物理研究所
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