水中多链螺旋的可编程组装：基于序列设计的仿生超分子系统构建新策略

《Nature Communications》：Programmable Assembly of Multistranded Helices in Water

本刊推荐：为解决合成系统难以模拟生物分子序列特异性构象变化这一难题，研究人员开展了“水中多链螺旋的可编程组装”主题研究。他们设计了一种bolaamphiphilic寡聚(间苯乙炔)链，通过调控疏水片段长度h和带电片段长度p，实现了对双螺旋(1)2和三螺旋(2)3形成的精确控制。研究首次建立了明确的序列-结构关系不等式n·p≤l≤n·h，并通过NMR、DOSY和DFT计算验证了螺旋结构的动态转换可由浓度、温度和阴离子分子调控。该策略为构建具有自适应功能的智能材料奠定了基础。

　　

在生命体系中，DNA的双螺旋结构和蛋白质的复杂折叠模式共同诠释了“序列决定结构，结构决定功能”这一基本法则。生物分子通过其一级序列编码的信息，能够精准调控自身构象状态之间的动态转换，从而响应外界刺激并执行特定功能。然而，在合成化学领域，如何让非生物分子链像生物大分子一样，仅通过序列设计就能可预测地组装成特定高级结构，并实现类似的生命式动态行为，一直是科学家们面临的重大挑战。

传统合成螺旋结构的构建往往依赖于氢键、金属配位等特异性相互作用，这些方法虽然有效，但难以实现类似生物分子的序列编码普适性。特别是在水溶液中，疏水作用、静电排斥等多种因素的复杂交织，使得仅通过序列参数来预测和控制多链螺旋的形成与转换变得异常困难。开发一种简单通用的策略，能够将结构组织和动态响应能力直接编码到分子链的一级序列中，成为推动仿生超分子系统发展的关键。

近日，发表在《Nature Communications》上的一项研究为解决这一难题提供了创新性方案。研究团队报道了一种简单而强大的方法，能够在bolaamphiphilic（两亲性）分子链的一级序列中编码所有必要信息，从而精准控制多链螺旋在水中的组装及其动态行为。他们利用由疏水性苯环和带电吡啶鎓残基组成的寡聚(间苯乙炔)（oligo(m-phenylene ethynylene)）作为分子骨架，成功演示了如何通过精确设计序列参数，实现从单一结构（如双螺旋）到动态组装体系（如双螺旋与三螺旋相互转换）的可编程构建。

研究的核心在于一个简洁的几何模型。如图1所示，bolaamphiphilic链由中间的疏水核心（长度h）和两端永久带电的极性末端（长度p）组成。这类序列在水环境中能自组装成n链螺旋（n=1,2,3,...），螺旋结构具有一个中央疏水层，上下两侧是带电层，从而最大限度地减少了疏水表面与水的接触。螺旋的稳定形成需要满足两个关键条件：位于螺旋同一端的带电片段不能直接上下堆叠产生静电排斥，这要求n·p ≤ l（l为完成一圈螺旋所需的链长）；同时，位于螺旋上下两端的带电片段之间也需要避免排斥，这要求中心疏水组件的总长度n·h ≥ l。将这两个不等式结合，得到了决定螺旋稳定性的关键判据：l/h ≤ n ≤ l/p。该不等式建立了一级序列（由参数h, p, l定义）与螺旋结构之间的直接定量关系，只有当链数n落在这个“几何窗口”内时，螺旋形成在热力学上才是有利的。

本研究主要采用了以下关键技术方法：通过迭代钯催化的Sonogashira交叉偶联反应合成目标寡聚(间苯乙炔)分子链；利用核磁共振氢谱(¹H NMR)、碳谱(¹³C NMR)和扩散排序谱(DOSY)在CD₃CN和D₂O中表征分子的折叠与组装状态；通过二维旋转坐标系核欧沃豪斯效应谱(¹H-¹H ROESY)验证螺旋结构中芳香环的堆叠排列；采用基于BP86-D4-COSMO(水)/def2-TZVP理论水平的密度泛函理论(DFT)计算对双螺旋和三螺旋结构进行几何优化和能量分析；通过滴定实验和模型拟合研究阴离子客体分子与螺旋主体的结合行为。

Programmable Assembly of a Double Helix in Aqueous Solution

为了验证模型的预测能力，研究人员首先设计了链1（图2a），其参数h=3，p=3。已知寡聚(间苯乙炔)螺旋每圈需要l=6个芳香残基，因此稳定性窗口为l/h=2 ≤ n ≤ l/p=2，即n只能为2，预测该链将专一性地组装成双螺旋。能量示意图（图2b）表明双螺旋是唯一能避免静电排斥的稳定构型。合成后的链1·TFA在CD₃CN中表现为未折叠的单体（图2d）。加入D₂O后，¹H NMR谱（图2e）显示苯环质子发生显著高场位移，DOSY测量（图2f）测得流体力学半径r_H从单体的12.0 ?减小到8.4 ?，与DFT优化的双螺旋模型尺寸吻合，证实了双螺旋(1)₂的形成。ROESY谱（图3a）观测到堆叠的吡啶鎓和苯环质子之间的空间相关性，为双螺旋结构提供了确凿证据。该双螺旋在水中表现出极高的稳定性，并能与全氟丁烷磺酸盐(G2)等阴离子客体形成包结复合物，结合常数K_a达(5.7±0.4)×10²M^-1（图3c-e）。

Programmable Assembly of Double and Triple Helices in Dynamic Exchange in Aqueous Solution

在成功实现单一螺旋结构控制的基础上，研究进一步拓展至动态系统。他们设计了链2（图4a），其参数h=3，p=2。此时稳定性窗口为l/h=2 ≤ n ≤ l/p=3，预测链2可以同时形成双螺旋和三螺旋。如图4b-c所示，该系统本质上是动态的，允许双螺旋(2)₂和三螺旋(2)₃之间可逆转换，而简单的单螺旋（n=1）因落在稳定性窗口之外而被有效抑制。链2·OTf在CD₃CN中为单体（图4d），在D₂O中则观察到两套分别归属于双螺旋和三螺旋的NMR信号（图4e）。根据勒夏特列原理，两者的相对丰度具有浓度依赖性：低浓度（0.5 mM）下双螺旋为主，高浓度（10 mM）下三螺旋占优。DOSY测得双螺旋和三螺旋的r_H分别为8.1 ?和9.4 ?（图4f），与DFT模型一致。不同浓度下的ROESY谱（图5a-b）显示了双螺旋和三螺旋中芳香残基不同的空间排列模式，为结构指认提供了关键依据。

Characterization and Dynamic Behavior of Double Helix (2)2 and Triple Helix (2)3

研究人员系统考察了浓度、温度和阴离子客体对双螺旋-三螺旋平衡的调控作用。结果表明，高浓度和低温有利于三螺旋的形成，而低浓度和高温则促使体系向双螺旋转化。此外，阴离子客体的结合能显著影响平衡。与三氟乙酸盐(2·TFA)相比，具有更强离液性的三氟甲磺酸盐(2·OTf)能部分占据三螺旋的空腔，限制其构象运动，导致NMR信号变宽。向2·TFA溶液中加入三氟甲磺酸钾(G1)或全氟丁烷磺酸钾(G2)等阴离子，可引起NMR信号锐化和位移，表明形成了包结复合物(2)₃?G2等（图5c-g）。DFT计算模型显示G2和4,4'-联苯二磺酸盐(G4)能很好地匹配三螺旋的空腔几何。特别是G4，其芳基磺酸部分与吡啶鎓单元之间的π-π堆积和静电吸引会诱导三螺旋发生动态扭曲。这些客体分子的结合稳定了三螺旋结构，使得其在稀释或加热条件下向双螺旋的转换变得不那么容易。

本研究通过设计两种bolaamphiphilic寡聚(间苯乙炔)链，成功验证了疏水段与带电段的相对长度能够决定性地引导特定多链螺旋结构的形成。正如模型所预测，链1专一性地组装成稳定的双螺旋，而链2则形成了双螺旋与三螺旋的动态平衡体系。后一系统实现了在浓度、温度或特定两亲性客体结合作用下，在允许的螺旋态之间进行清晰、可逆的切换。该工作建立了一种通过寡聚(间苯乙炔)链的序列设计来控制多链螺旋组装及其动态行为的可靠策略。此方法的优势在于其极简性：仅使用疏水苯环和带电吡啶鎓两种结构单元，便实现了精确的结构控制。这种简单性使得该策略具有模块化特点，并有望拓展至非bolaamphiphilic序列模式、含阴离子残基的链以及其他聚芳香骨架体系。更为重要的是，能够编码多种可切换螺旋结构的能力为设计自适应分子系统开辟了新道路。通过建立清晰且可预测的序列-结构关系，此项研究有望推动构建具有响应性功能的复杂、可编程超分子结构，从而在分子识别、传感、催化以及环境污染物捕获等领域展现应用潜力。