基于晶体结构与量子化学计算的芴半抗原理性设计及载体蛋白偶联潜力研究

针对多环芳烃(PAHs)免疫检测中半抗原设计缺乏理论指导的问题，南京工业大学团队通过Friedel-Crafts酰化反应合成两种芴半抗原（Hapten 1/2），结合X射线单晶衍射、Hirshfeld表面分析和DFT计算（B3LYP/6-31++G(d,p)）阐明其分子相互作用机制，证实与BSA/OVA/KLH载体蛋白的强结合力（分子对接得分-6.56至-8.37 kcal/mol），成功制备偶联率为11.4-16.1的免疫原，为开发高灵敏度芴免疫检测奠定基础。

　　

多环芳烃(PAHs)作为典型的环境污染物，其检测技术发展始终面临重大挑战。传统色谱分析方法虽精确但操作繁琐，而免疫检测技术因其高效便捷成为研究热点。然而，PAHs作为小分子物质无法直接刺激抗体产生，必须通过半抗原设计实现与载体蛋白的偶联。这项由南京工业大学团队发表在《Journal of Molecular Structure》的研究，首次系统报道了两种芴类半抗原的理性设计、晶体结构解析及其与载体蛋白的相互作用机制。

研究采用Friedel-Crafts酰化反应合成两种含不同长度碳链的半抗原（4-(9H-芴-2-基)-4-氧代丁酸和6-(9H-芴-2-基)-6-氧代己酸），通过单晶X射线衍射揭示其空间构型：Hapten 1通过O-H···O氢键（1.830 ?）形成R₂²(8)环状结构，Hapten 2则存在O-H···O与C-H···O多重氢键网络。密度泛函理论(DFT)计算显示两者HOMO-LUMO能隙分别为4.278 eV和4.311 eV，证实其适宜的反应活性。分子对接揭示Hapten 2与牛血清白蛋白(BSA)结合能达-8.37 kcal/mol，显著优于其他组合。分子动力学模拟证实复合物体系能维持稳定氢键相互作用，最终成功制备出偶联率13.8-16.1的人工抗原。

【晶体结构分析】
X射线衍射解析显示，Hapten 1属单斜晶系P2₁/c空间群，晶胞参数a=12.0304(5) ?，通过羧基间氢键构建三维网络；Hapten 2则通过多种氢键模式实现分子堆积，其C-H···O作用距离2.57-2.59 ?。

【量子化学计算】
B3LYP/6-31++G(d,p)理论水平计算表明，两种半抗原的ADCH(原子偶极矩校正 Hirshfeld)电荷分布差异显著，Hapten 2的羧基氧原子携带更高负电荷(-0.512 e)，这与其更强的蛋白结合能力相符。自然键轨道(NBO)分析揭示O-H键反键轨道与邻近C=O的σ*轨道存在显著次级相互作用。

【分子对接与动力学】
500 ns分子动力学模拟显示，BSA-Hapten 1复合物的均方根偏差(RMSD)稳定在0.2 nm以内，结合自由能计算证实范德华力为主要驱动力。KLH-Hapten 2体系形成6个稳定氢键，其中Tyr256残基的π-π堆积作用至关重要。

该研究首次实现芴半抗原从分子设计、晶体工程到免疫原构建的全链条研究，建立的量子化学计算指导半抗原设计策略，为环境污染物免疫检测技术开发提供了新范式。特别值得注意的是，Hapten 2较长的碳链结构展现出更优的蛋白结合特性，这一发现为后续半抗原的间隔臂设计提供了重要参考。研究成果不仅填补了CCDC数据库芴半抗原晶体结构的空白，更为PAHs免疫检测抗体制备奠定了分子基础。