近日，大連化物所復(fù)雜分子體系反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究組（1101組）韓克利研究員團(tuán)隊(duì)與生物分子功能研究組（1833組）樸海龍研究員團(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。
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的意義。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。
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(dá)式，從而可用于定量計(jì)算和衡量。本工作中，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) k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) k可以準(zhǔn)確描述和預(yù)測(cè)探針分子與GSH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， k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) k值更敏感，這證明了通過微調(diào) k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。
相關(guān)成果發(fā)表在《研究》（Research）上。上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目、遼寧省興遼英才計(jì)劃項(xiàng)目和大連市科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目等資助。（文/圖 張學(xué)祥）
