近日，大連化物所復雜分子體系反應動力學研究組（1101組）韓克利研究員團隊與生物分子功能研究組（1833組）樸海龍研究員團隊合作，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。

　　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的意義。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。

　　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唯一確定”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。本工作中，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 k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 k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， k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 k值更敏感，這證明了通過微調 k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。

　　相關成果發表在《研究》（Research）上。上述研究工作得到了國家自然科學基金項目、中國科學院科研儀器設備研制項目、遼寧省興遼英才計劃項目和大連市科技創新基金項目等資助。（文/圖 張學祥）