谷氨酸合成酶的生物電化學研究取得新進展

化學信號傳遞是一切生命活動的基礎，活體定量獲取化學信號對認識和理解神經系統活動具有重要意義。然而，神經體系的化學環境的多樣和多變性，使得活體分析化學的研究變得異常艱難。在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，中科院化學研究所活體分析化學重點實驗室研究員毛蘭群課題組研究人員長期從事該領域的基礎與應用研究，利用電化學原理，發展了一系列針對重要神經小分子的高選擇、高靈敏、時空分辨的電化學分析原理和方法（Acc. Chem. Res.2012, 45, 533-543;Chem. Soc. Rev.2015, 44, 5959-5968;Chem. Soc. Rev.2017, 46, 2692-2704;Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 11802 -11806;Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57, 4590-4593;J. Am. Chem. Soc.2017, 139, 1396 - 1399）。

近幾年來，研究人員關注基於生物電化學的原理，發展活體電分析化學原理和方法。一般來說，生物電化學分析性能（如靈敏度、抗干擾能力等）取決於酶與電極界面的電子轉移過程。通過努力，研究人員發現，利用常見有機溶劑小分子的表面浸潤效應，通過調控酶和電極之間的相互作用，可以優化碳納米管表面酶分子的取向，進而促進酶分子的直接電子轉移，有效促進了生物電化學催化的性能（J. Am. Chem. Soc.2017, 139, 1565-1574）。

由於常見酶元件（氧化酶或脫氫酶）需要氧氣或輔酶參與生物電化學催化，所以現有的基於酶的生物電化學感測器很難應用於活體分析。解決這一問題的有效方法在於尋找或設計新的酶識別元件。最近，針對谷氨酸這一重要神經遞質的活體分析，研究人員構建了一種以谷氨酸合成酶為識別元件的生物電化學感測界面。該酶在自然狀態下催化谷氨酸的合成反應，但是如何利用此酶開展活體電分析化學的研究尚未見報道。研究人員發現，在該酶與電極之間引入合適的電子轉移介體，可以有效調控其電催化的方向（如圖所示）。具體而言，在界面引入低式量電位的甲基紫精，可以實現從酮戊二酸和谷氨醯胺到谷氨酸的酶催化電合成；而引入高式量電位的鐵氰化鉀則可以逆轉反應方向，實現谷氨酸的酶催化電化學氧化，且催化電流與谷氨酸濃度呈很好的相關性。研究進一步揭示，不同於氧化酶及脫氫酶感測器，基於谷氨酸合成酶的感測器不僅具有較高的靈敏度，而且也不受氧氣濃度變化的影響。該工作為活體電化學分析提供了新的途徑。相關成果發表於J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 12700-12704。

圖：界面調控的谷氨酸合成酶電催化

來源：中國科學院化學研究所

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