酶的热效应对于研究生命现象、生理特征具有重要的价值。生命活动受到各种各样的生物酶调控，研究酶促反应过程中的热量释放具有重要意义。然而，单个酶分子释放的热量很少，同时热量会迅速地扩散到周围环境达到热平衡，现有的测量方法无法实时地检测酶分子的放热情况，缺乏微纳米尺度的热量监测的有力工具。近来，光学纳米温度计的发展为解决上述问题提供了思路。光学纳米温度计是指具有温度响应性的纳米粒子，通常其光学特性会随温度改变，通过测量纳米温度计光学特性变化获得被测物的温度变化。由于光学信号可以实时获得（采集间隔小于1秒），动态地监测整个放热过程，具有高的时间分辨率；而纳米温度计的粒径可以小于10 nm纳米，其尺寸与一些大分子蛋白质相当，可以实现高空间分辨率。因此纳米温度计具有在生物大分子（如酶）的微区域进行实时非平衡态的温度（热量）变化测量的潜力。
图1 酶的微区域温度实时测量示意图
近日，西安交通大学生命学院生物医学影像与应用研究所吴道澄教授课题组提出了一种可以在微纳米尺度下准确、实时监测酶促反应中放热情况的新方法（图1）。文中合成了一种表面带有大量氨基的AgInS2量子点，该量子点的荧光强度具有显著的温度依赖，荧光强度接近线性地随温度升高而降低，灵敏度为-2.82%°C-1。通过化学交联将量子点紧密地接枝到被测物脂肪酶上，确保量子点检测的是酶周围的温度而不是溶液温度。在交联了量子点的脂肪酶溶液中加入底物，利用荧光分光光度计实时地检测溶液荧光变化，发现随着底物加入溶液荧光强度迅速减弱，经换算最大温差超过溶液6°C，直到底物消耗完才回复到初始值。该方法具有良好的重现性，最大误差约为4%，温度分辨率约为0.5°C，可以检测低至0.02 mg/mL的酶溶液。该体系的荧光信号直接代表了酶周围纳米尺度微区域的温度变化，实现了对酶促反应中的非平衡放热检测。这种酶周围热量分布的不均匀性对于研究纳米尺度生物体内的热行为和生物特性具有重要意义。该方法对于研究生物体内各种与热有关的酶过程、线粒体内的热释放、甚至肿瘤热疗中的温度反馈都有重要参考价值。
该成果以“基于温度敏感的氨基-AgInS2量子点的一种准确、实时的酶微区域放热检测方法”（Accurate and Real-time Detection Method for the Exothermic Behavior of Enzymatic Nano-microregions Using Temperature-sensitive Amino-AgInS2Quantum Dots）为题在国际著名学术期刊《小方法》(Small MethodsIF=14.1)上在线发表，第一作者为西安交通大学生命学院博士生张慧，吴道澄教授为唯一通讯作者，生物医学信息工程教育部重点实验室和西安交通大学生命学院为该论文第一和唯一通讯作者单位。该研究成果是吴道澄教授课题组在纳米温度计生物应用方面的又一重要成果。该工作得到了国家自然科学基金和国家重大科学仪器设备项目的资助。西安交通大学分析测试中心为本工作提供了大量测试表征支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202100811