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化学研究所在谷氨酸合成酶生物电化学研究上的新进展

        化学信号传递是所有生命活动的基础。活体化学信号的定量获取对于了解和理解神经系统活动具有重要意义。然而,神经系统化学环境的多样性和可变性使得在活体分析化学的研究非常困难。在国家自然科学基金、科技部和中国科学院的支持下,中科院化学研究所重点实验室的科研人员利用电化学原理,长期从事这一领域的基础研究和应用研究,开发了一系列重要神经分子的高选择性、高灵敏度和时空分辨率的电化学分析原理和方法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)。

        近年来,基于生物电化学原理的活体电分析化学原理和方法的发展引起了研究者们的关注。一般而言,生物电化学分析的性能(如灵敏度、抗干扰能力等)。这取决于酶与电极界面之间的电子传递过程。通过他们的努力,研究人员发现,利用小分子在普通有机溶剂中的表面渗透效应,通过调节酶与电极之间的相互作用,可以优化碳纳米管表面酶分子的取向。从而促进了酶分子的直接电子转移,有效地提高了生物电化学催化性能J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 1565-1574

1 界面调控的谷氨酸合成酶电催化

        由于常见的酶元素(氧化酶或脱氢酶)需要氧气或辅酶参与生物电化学催化,现有的基于酶的生物电化学传感器难以用于活体分析。解决这一问题的有效途径是寻找或设计新的酶识别元件。近期,为了对谷氨酸作为重要的神经递质进行活体分析,研究人员构建了以谷氨酸合成酶为识别元件的生物电化学传感界面。该酶在自然状态下催化谷氨酸的合成,但如何将其用于活体电分析化学的研究还未见报道。研究人员发现,在酶和电极之间引入合适的电子转移介质可以有效地调节电催化的方向(如图1所示)。特别是通过在界面引入低式量电位甲基紫精,可实现酮戊二酸和谷氨酰胺的酶催化电合成谷氨酸。高式量电位铁氰化钾的引入可以逆转反应方向,实现酶催化谷氨酸的电化学氧化,催化电流与谷氨酸浓度有很好的相关性。进一步揭示了谷氨酸合成酶传感器不同于酶传感器和脱氢酶传感器,不仅灵敏度高,而且不受氧浓度变化的影响。为活体电化学分析提供了一条新的途径。相关结果发表于

J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 12700-12704. 

 

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