近日，英國皇家科學(xué)院和歐洲科學(xué)院院士、華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院David Leigh（李大為）教授團隊首次實現(xiàn)在同一條納米繩上打出不同的結(jié)，并首次構(gòu)筑了分子52結(jié)，填補了分子結(jié)周期表中的重要一環(huán)，對研究可以打結(jié)的DNA和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能有重要的指導(dǎo)意義。相關(guān)研究成果以華東師范大學(xué)為第一單位發(fā)表于Nature?雜志。
結(jié)（knot）廣泛存在于生活中，小到鞋帶大至航?；蚺实巧椒逅玫睦K索，無一不證明結(jié)具有十分重要的用途。在微觀層面，分子結(jié)（Molecular knot）存在于DNA、蛋白質(zhì)和一些長鏈高分子中。
作為分子拓?fù)鋵W(xué)方向的奠基者和開拓者，李大為教授在構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)的分子結(jié)和探索其性質(zhì)和功能方向做出了卓越的貢獻。2016年，李大為教授報道了人工合成的“五葉結(jié)”分子的模擬生物異構(gòu)酶的催化性質(zhì)（Science,?2016,?352, 1555-1559）。2017年，李大為教授報道了由192個原子連續(xù)組成的八個交叉點的分子結(jié)（819），該結(jié)構(gòu)被美國化學(xué)會評選為“2017年度分子”，并且被吉尼斯世界紀(jì)錄有限公司認(rèn)定為世界上最緊的分子結(jié)（Science,?2017,?355, 159-162）。2018年，李大為教授和張亮研究員報道了立體選擇性合成世界上最復(fù)雜的分子結(jié)：含9個交叉點的復(fù)合結(jié)“+31#+31#+31和環(huán)狀[3]索烴973鏈 （Nature Chem,?2018,?10, 1083-1088）。這些分子結(jié)結(jié)構(gòu)的功能也同時被探索，例如：2019年，李大為教授和張亮研究員報道了分子反手結(jié)可以有效的作為輪烷的封端集團，實現(xiàn)輪烷的有效組裝和解組裝（Angew. Chem. Int. Ed.,?2018,?57, 10484-10488）。同年，李大為教授和張亮研究員報道了分子結(jié)的緊致結(jié)構(gòu)強烈的影響分子結(jié)的反應(yīng)性、構(gòu)象和手性的表達(dá)（PNAS,?2019,?116, 2452-2457）。（這里幫打個廣告，華東師范大學(xué)李大為教授和張亮研究員聯(lián)合課題組正在招聘，職位包括博士后、科研助理、行政助理，有意者可聯(lián)系張亮研究員zhangliang@chem.ecnu.edu.cn）
盡管目前報道了很多策略用于構(gòu)筑不同的分子結(jié)，但仍然缺乏用一條分子鏈打出多種結(jié)的策略。針對這一科學(xué)問題，李大為教授團隊受分子伴侶蛋白（Chaperone）機制啟發(fā)，在一條分子鏈上，利用過渡金屬離子和鑭系金屬離子作為模板，通過點手性誘導(dǎo)構(gòu)筑了具有單一拓?fù)涫中缘姆肿咏Y(jié)52。此外，研究人員也能夠利用該分子鏈選擇性合成大環(huán)01（unknot）和分子結(jié)31另外兩種拓?fù)洚悩?gòu)體。李大為教授團隊的這一最新研究成果不僅提供了構(gòu)筑復(fù)雜分子結(jié)的策略，同時也推動了分子拓?fù)鋵W(xué)的發(fā)展。
分子結(jié)52的合成由四步制備得到。首先配體L1與Cu(I)配位高效率地形成兩種金屬絡(luò)合物（ΛCu和ΔCu）；第二步，由于配體中點手性的誘導(dǎo)，只有其中的一種構(gòu)型ΛCu絡(luò)合物能夠與三價镥離子形成開鏈的分子52結(jié)；第三步，通過烯烴復(fù)分解鎖定開鏈結(jié)構(gòu)得到金屬分子52結(jié)；第四步，脫去兩種金屬離子制備得到有機分子52結(jié)。
作者通過ESI質(zhì)譜、核磁共振氫譜以及圓二色（CD）光譜證實了分子52結(jié)的形成。關(guān)環(huán)后的1?[Cu][Lu] 雙金屬絡(luò)合物通過質(zhì)譜測得的實驗值與理論值幾乎一致(m/z?1?[Cu][Lu]4+?770.0,?1?[Cu][Lu][CF3SO3]3+?1076.0,?1?[Cu][Lu][CF3SO3]22+?1688.3)，同時作者通過對比配體L1和1?[Cu][Lu] 雙金屬絡(luò)合物的核磁共振氫譜，質(zhì)子Hh的信號從7.0 ppm的單峰向高場移動，變?yōu)?.6–6.1 ppm的四個不同信號，表明Cu(I)與dpp單元配位形成了第一個纏繞結(jié)構(gòu)，[Lu] (III)配位后形成的拓?fù)涫中允官|(zhì)子Hh的信號產(chǎn)生了裂分（在Hk、Hj、Hi和Hd的信號中也能觀察到類似的情況），此外幾個甲基上質(zhì)子（He）的信號向高場位移，說明它們處于1?[Cu][Lu]雙金屬絡(luò)合物折疊結(jié)構(gòu)中的屏蔽區(qū)，這些信號的變化很好地說明了配體L1成功轉(zhuǎn)化為1?[Cu][Lu]雙金屬絡(luò)合物。此外，圓二色譜（CD）在330 nm左右出現(xiàn)的信號表明產(chǎn)物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和立體構(gòu)型是(+52)–1?[Cu][Lu]。
值得一提的是，分子結(jié)52的合成不受熱力學(xué)控制，不同的金屬離子添加順序會產(chǎn)生不同的結(jié)果。實驗結(jié)果表明，僅在先添加Cu (I)然后添加Lu (III)的條件下可以得到(ΛCu, ΛLu)-L1?[Lu][Cu]作為正確折疊的主要中間體。
此外，分子鏈L1也能夠利用鑭系金屬離子形成分子三葉結(jié)31，由于該結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在正交的金屬配位位點，因此在所形成31結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)，通過添加不同的金屬模板，可以實現(xiàn)結(jié)結(jié)構(gòu)的運動，由原先的Cu位點轉(zhuǎn)移至Lu位點，而這也是首次在單分子結(jié)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)分子結(jié)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移，為后續(xù)研究蛋白結(jié)結(jié)構(gòu)運動提供了可行性方案。在實驗上，研究人員通過對比配合物轉(zhuǎn)金屬前后的核磁氫譜，Hd和Hh信號的變化表明金屬配位從pdc轉(zhuǎn)移到dpp位點上，證實了分子結(jié)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移。
分子鏈L1也可以通過大環(huán)化形成分子結(jié)01，質(zhì)譜證實了這三種拓?fù)洚悩?gòu)體具有相同的分子量，CD光譜表明三種拓?fù)洚悩?gòu)體之間僅有微小差異，這表明在不存在金屬離子的情況下，三種拓?fù)洚悩?gòu)體之間不存在優(yōu)勢構(gòu)象。然而，這三種拓?fù)洚悩?gòu)體在NMR DOSY譜中顯示出不同的擴散常數(shù)，從而從側(cè)面證實了這三種拓?fù)洚悩?gòu)體的結(jié)構(gòu)的差異性。
這項工作在分子層面模擬了分子伴侶蛋白的誘導(dǎo)蛋白質(zhì)折疊過程，利用過渡金屬和鑭系金屬離子的組合成功在同一分子鏈打出不同種類的結(jié)。而且這種在DNA和蛋白質(zhì)分子中存在的分子52結(jié)，是首次在實驗室中被制備出來，填補了分子結(jié)周期表中的重要一環(huán)，對研究可以打結(jié)的DNA和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能有重要的指導(dǎo)意義。
參考文獻：
David A. Leigh, Fredrik Schaufelberger, Lucian Pirvu, Joakim Halldin Stenlid, David P. August, Julien Segard，Tying different knots in a molecular strand，Nature,?2020,?584, 562-568, DOI: 10.1038/s41586-020-2614-0
