近日，英國(guó)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(tuán)隊(duì)首次實(shí)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(bǔ)了分子結(jié)周期表中的重要一環(huán)，對(duì)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(wú)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(zhǎng)鏈高分子中。
作為分子拓?fù)鋵W(xué)方向的奠基者和開(kāi)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(xiàn)。2016年，李大為教授報(bào)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(bào)道了由192個(gè)原子連續(xù)組成的八個(gè)交叉點(diǎn)的分子結(jié)（819），該結(jié)構(gòu)被美國(guó)化學(xué)會(huì)評(píng)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(bào)道了立體選擇性合成世界上最復(fù)雜的分子結(jié)：含9個(gè)交叉點(diǎn)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(shí)被探索，例如：2019年，李大為教授和張亮研究員報(bào)道了分子反手結(jié)可以有效的作為輪烷的封端集團(tuán)，實(shí)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(bào)道了分子結(jié)的緊致結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(gè)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(bào)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(duì)這一科學(xué)問(wèn)題，李大為教授團(tuán)隊(duì)受分子伴侶蛋白（Chaperone）機(jī)制啟發(fā)，在一條分子鏈上，利用過(guò)渡金屬離子和鑭系金屬離子作為模板，通過(guò)點(diǎn)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(tuán)隊(duì)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(shí)也推動(dòng)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(diǎn)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(jià)镥離子形成開(kāi)鏈的分子52結(jié)；第三步，通過(guò)烯烴復(fù)分解鎖定開(kāi)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(jī)分子52結(jié)。
作者通過(guò)ESI質(zhì)譜、核磁共振氫譜以及圓二色（CD）光譜證實(shí)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(guò)質(zhì)譜測(cè)得的實(shí)驗(yàn)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(shí)作者通過(guò)對(duì)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(hào)從7.0 ppm的單峰向高場(chǎng)移動(dòng)，變?yōu)?.6–6.1 ppm的四個(gè)不同信號(hào)，表明Cu(I)與dpp單元配位形成了第一個(gè)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(hào)產(chǎn)生了裂分（在Hk、Hj、Hi和Hd的信號(hào)中也能觀察到類似的情況），此外幾個(gè)甲基上質(zhì)子（He）的信號(hào)向高場(chǎng)位移，說(shuō)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(hào)的變化很好地說(shuō)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(hào)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(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，因此在所形成31結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)，通過(guò)添加不同的金屬模板，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，由原先的Cu位點(diǎn)轉(zhuǎn)移至Lu位點(diǎn)，而這也是首次在單分子結(jié)結(jié)構(gòu)中實(shí)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(yùn)動(dòng)提供了可行性方案。在實(shí)驗(yàn)上，研究人員通過(guò)對(duì)比配合物轉(zhuǎn)金屬前后的核磁氫譜，Hd和Hh信號(hào)的變化表明金屬配位從pdc轉(zhuǎn)移到dpp位點(diǎn)上，證實(shí)了分子結(jié)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移。
分子鏈L1也可以通過(guò)大環(huán)化形成分子結(jié)01，質(zhì)譜證實(shí)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(shì)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(kuò)散常數(shù)，從而從側(cè)面證實(shí)了這三種拓?fù)洚悩?gòu)體的結(jié)構(gòu)的差異性。
這項(xiàng)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(guò)程，利用過(guò)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(shí)驗(yàn)室中被制備出來(lái)，填補(bǔ)了分子結(jié)周期表中的重要一環(huán)，對(duì)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(xiàn)：
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
