近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所復(fù)雜分子體系反應(yīng)動力學(xué)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(shù)，提出了一種谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶(GST)檢測熒光探針的分子結(jié)構(gòu)半定量設(shè)計方法。

　　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(zhì)，以實現(xiàn)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?；鳛樽R別和反應(yīng)基團，該基團雖能保證極高的靈敏度，但同時會帶來嚴(yán)重的背景噪音。這是由該基團對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用型GST熒光探針，需要降低識別基團的背景反應(yīng)噪音。然而，靈敏度與背景噪音往往是相互制衡的一對因素，因此，對反應(yīng)活性的微調(diào)是找準(zhǔn)平衡點的關(guān)鍵。

　　概念密度泛函理論(CDFT)從“分子的基態(tài)性質(zhì)由其基態(tài)電子密度所唯一確定”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式，從而可用于定量計算和衡量。該工作中，研究團隊基于上述理論及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)計中，用于定量描述探針的背景反應(yīng)活性，進而便于實現(xiàn)對反應(yīng)活性有的放矢地微調(diào)。非酶促反應(yīng)動力學(xué)測試結(jié)果表明，參數(shù)ωk可以準(zhǔn)確描述和預(yù)測探針分子與GSH的背景反應(yīng)活性;酶促反應(yīng)動力學(xué)測試結(jié)果則顯示，ωk值的大小總體上還可以代表靈敏度的強弱。值得注意的是，相對于酶促反應(yīng)所對應(yīng)的靈敏度kcat，非酶促反應(yīng)所對應(yīng)的背景噪音knonc對ωk值更敏感，這證明了通過微調(diào)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(yīng)/識別機制上的優(yōu)化，研究團隊還通過飛秒瞬態(tài)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(zhuǎn)移(PET)過程在發(fā)光機制上對低背景噪音有所貢獻。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)計提供了一種新思路。

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