《ACS Nano》：Chiral Ligand-Protected Gold Nanoclusters as Biosensors for Small Chiral Biomolecules: A Computational Study
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本文通过经典的分子力场分子动力学（MD）模拟和密度泛函理论（DFT）计算，验证了一种在水溶液中、实验上可实现的对小分子手性生物分子（如氨基酸及其对映体）进行非侵入性传感的策略。研究揭示了手性配体保护的金纳米团簇（AuNCs）通过静电作用、氢键和范德华力与不同手性分析物特异性结合，其结合概率存在巨大差异（从<1%到100%），并且计算得出的圆二色（CD）光谱预测了分析物特异性吸附事件，甚至在特定情况下能分辨吸附的对映体。这为开发可针对特定靶标进行优化的、用于非侵入式手性传感的“可调工具箱”提供了坚实的理论基础。
引言：生命的手性与传感挑战
手性是生命的基本特征。大多数生物分子具有手性并表现出特定的手性偏好，例如构成蛋白质的L-型氨基酸和存在于DNA、RNA中的D-型糖。这种分子不对称性的起源及其在生命涌现中的作用，仍然是化学和生物学中最引人入胜的问题之一。因此，理解特定手性分子在生物环境中的功能至关重要。即使是与同手性的微小偏差，也可能对生物过程产生重大影响。具有相反构型的生物分子（称为“少数对映体”）的少量存在，通常与生理紊乱或疾病相关。例如，D-氨基酸（无论是游离形式还是在肽和蛋白质中）已被证明与衰老相关过程、癌症、各种神经或肾脏病变以及感染性疾病的临床进展有关。这些发现凸显了D-氨基酸作为诊断生物标志物和药物发现靶点的潜力。手性的重要性远不止于天然生物分子。在制药行业，超过90%的药物是手性的或手性化合物的混合物，而通常只有一种对映体具有理想的生物活性。因此，在复杂的生物环境中区分和量化特定的对映体，对于基础研究和应用医学都至关重要。开发能够在生物环境中可靠工作并检测单个对映体的灵敏、非侵入性传感器，不仅能加深我们对生物手性的理解，还将为疾病诊断、治疗和精准医学开辟道路。
小尺寸的贵金属纳米团簇（金属核尺寸可达2纳米，表面有有机分子稳定层）是一类具有传感应用潜力的有趣纳米材料。其金属核（金、银、铜或其混合物）具有量子化的电子态，这导致其在发射和吸收方面具有离散的光物理性质。通过保护分子层的化学性质，可以调控纳米团簇在水环境中的溶解度及其与生物靶标的相互作用。近年来，多项实验和计算研究涉及纳米团簇-生物分子杂化物，研究了它们的结合以及生物分子对纳米团簇电子结构的影响，以及由此产生的、可用于构成传感功能的吸收和发射光物理特性。其他研究则探讨了这些纳米团簇携带光敏剂的潜力，以在“工作”的生物环境（如活细胞）中发出局部化学环境变化的信号。
使用贵金属纳米团簇作为手性物体传感原型的一大优势是，对于数百种纳米团簇（尤其是金属核为金时）存在实验结构信息。许多此类纳米团簇即使使用非手性配体，也具有固有的手性结构；或者当金属核用手性配体稳定时，可以使其具有手性。因此，手性纳米团簇与手性靶标之间的杂化物是利用原子模拟工具进行研究的理想体系。本研究基于一个假设：纳米团簇表面的手性可能导致手性物体的对映特异性吸附，从而改变纳米团簇的圆二色（CD）吸收光谱。
研究体系与分析方法
研究团队探究了六种金纳米团簇（AuNCs，金原子数从25到144）与八种小分子手性生物分子之间的相互作用。这些纳米团簇用两种不同的水溶性配体稳定：手性的L-谷胱甘肽（L-GSH）和非手性的对巯基苯甲酸（pMBA）。具体研究的组成为：Au25(GSH)18、Au38(GSH)24、Au102(GSH)44、Au38(pMBA)24、Au102(pMBA)44和Au144(pMBA)60。作为分析物，研究团队研究了L-型和D-型的GSH以及七种手性氨基酸：丙氨酸（Ala）、精氨酸（Arg）、天冬氨酸（Asp）、半胱氨酸（Cys）、谷氨酸（Glu）、丝氨酸（Ser）和酪氨酸（Tyr）。
研究的核心问题包括：(i) 结合强度（反映在结合概率上）是否存在差异？即是否观察到对靶标的化学选择性？(ii) 对映特异性结合是否存在差异？(iii) 分析物的结合是否会引起纳米团簇CD响应的显著变化，从而用于检测结合？(iv) 是否能够通过检查CD光谱来区分分析物的手性？
问题(i)和(ii)通过在水溶液中，对96个纳米团簇-分析物体系（6种纳米团簇 × 8种分析物 × 2种对映体）进行广泛的分子动力学（MD）模拟采样来解答。每个体系进行了三次独立的MD模拟，时间尺度长达1.5微秒。问题(iii)和(iv)则通过对选定的纳米团簇-分析物杂化物进行密度泛函理论（DFT）计算其CD响应来解答。
结果与讨论
2.1. 研究体系及其对分析物结合的化学选择性
研究表明，分析物与纳米团簇的结合概率（P，定义为分析物与纳米团簇之间至少有一个化学接触的时间百分比）存在惊人的巨大差异，范围从接近0%到100%。这种结合选择性的变化主要受纳米团簇的配体类型和尺寸控制。
2.2. GSH保护的纳米团簇与精氨酸的相互作用
对于由L-GSH配体保护的纳米团簇，只有精氨酸（Arg）在所有三种GSH保护的纳米团簇中，无论是L-型还是D-型，都 consistently 表现出高结合概率（P值在64.5%到81.4%之间）。数据显示，D-Arg在所有三种GSH保护的纳米团簇上的吸附都略优于L-Arg。所有其他分析物在GSH保护的纳米团簇上的P值均小于14%。分析表明，结合主要通过带正电的精氨酸侧链（胍基 HNC(NH2)2+和氨基 -NH3+）与GSH肽链上的带负电羧基（COO–）和酰胺基（-C(=O)-NH-）之间的静电相互作用主导，氢键和范德华力起辅助作用。
2.3. pMBA保护的纳米团簇与分析物的相互作用
与GSH保护的纳米团簇相比，pMBA保护的纳米团簇在与各种分析物结合的化学选择性方面表现出更大的变化。
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Au38(pMBA)24：对多种分析物显示出中等至非常强的相互作用。值得注意的是，在对酪氨酸（Tyr）的结合中观察到了明显的对映选择性：L-Tyr的P值仅为3.3%，而D-Tyr的P值高达53.3%。此外，对于精氨酸（Arg），无论是L型还是D型，结合概率均达到100%。研究还发现，pMBA保护的纳米团簇允许分析物在大多数情况下穿透配体层，直接与金-硫醇盐界面接触，这与GSH保护的情况不同。
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Au102(pMBA)44：同样显示出从中等到非常强的相互作用，并在五个案例中观察到对映选择性，即对L-GSH、D-Cys、D-Tyr、L-Ser和L-Ala的结合强于其对映体。
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Au144(pMBA)60：仅与L/D-Arg表现出强相互作用（P值约98%）。由于该团簇金-硫醇盐界面曲率较小，配体堆积密度增加，分析物（如Arg）无法像在更小的pMBA团簇上那样穿透配体层。
2.4. 圆二色性与传感潜力
基于MD模拟揭示的化学和对映选择性，研究进一步通过线性响应含时密度泛函理论（TDDFT）计算了选定的纳米团簇-分析物复合物的CD光谱，以评估其传感潜力。
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分析物结合通常能在从紫外到近红外的宽波长范围内引起纳米团簇CD光谱的变化，最强的变化发生在300-600 nm区域，该区域的信号主要归因于硫醇-金界面和配体。
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传感潜力总结：
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Au25(GSH)18：有潜力对L/D-Arg进行对映特异性传感，因为两者结合都较强，且分析物的手性在400 nm附近影响差分CD光谱。
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Au38(GSH)24：可以检测L/D-Arg的结合，但无法区分分析物的手性。
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Au38(pMBA)24：可以检测单个D-Tyr、L/D-Cys、L/D-Ala和L/D-Ser的结合，并且对于除半胱氨酸（Cys）外的其他分析物具有对映特异性传感的潜力。有趣的是，对于单个L/D-Arg，它无法进行对映特异性传感，但当分析物浓度增高时，传感灵敏度会增加。对于L/D-Tyr，更高的浓度也增强了对映特异性传感。
结论
通过在水溶液中对96个手性纳米团簇-手性分析物复合物进行广泛的计算筛选，评估了配体保护的金纳米团簇作为小分子手性生物分子非侵入性手性传感器的潜力。研究发现，通过配体设计和金属核尺寸（从25到144个金原子）的控制，纳米团簇的传感能力存在显著差异。这些差异源于配体层内部或金-配体界面处不同的相互作用，这些相互作用受到氢键、静电相互作用、范德华力或由金-配体界面曲率控制的可利用空间体积的影响。
由于存在广泛可用的合成策略来精确控制纳米团簇的几何形状、尺寸、配体壳化学性质甚至优选的手性（针对1-2纳米金纳米团簇），研究预期，开发一个在此尺寸范围内、针对给定小分子手性生物分子检测而优化的、水溶性金纳米团簇“工具箱”，应该是一个实验上可实现的概念。辅以用于差分CD光谱指纹和形状识别的数值或机器学习算法，这种方法可能对所有分析物和对映体都具有高度准确性和灵敏度。该策略还可以通过其他对尺寸和结构敏感的实验方法（如纳米团簇-分析物杂化物的扩散有序谱核磁共振DOSY-NMR）进行补充。
