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为解决水中氨基酸选择性受体稀缺问题，研究人员开展基于葡萄糖的光开关受体研究。结果显示该受体可光控结合氨基酸甲酯，Z 异构体结合力更强。此研究为生物分析、生物分子递送等领域提供新思路，值得一读。
在神奇的化学世界里，氨基酸就像一群忙碌的 “小工匠”，在众多生物过程中发挥着关键作用。比如，色氨酸参与蛋白质中的电子传输，天冬氨酸担当神经递质的角色，赖氨酸则对组蛋白修饰至关重要。而且，氨基酸在不对称合成、化学催化、化学生物学以及材料科学等领域也大显身手。因此，实现对氨基酸的化学和对映选择性结合，对于诊断、医药和技术发展来说，就像一把打开宝藏大门的钥匙，有着极其重要的意义。
从生物学角度看，在水环境中识别氨基酸更是重中之重。然而，这可不是一件容易的事。就好比在热闹的 “水世界” 里精准找到特定的 “小伙伴”，合成受体需要巧妙地结合极性相互作用和疏水效应，才能在水性介质中实现对氨基酸的强而选择性的结合。尽管科学家们在合成氨基酸受体的研究道路上不断探索，取得了一些进展，但能在水中实现化学和对映选择性结合的受体却少之又少。
与此同时，那些能够根据外界刺激改变对目标分析物亲和力的受体，就像拥有 “超能力” 一样，备受科学家们的追捧。因为它们在控制客体分子的结合、运输和释放等方面有着巨大的应用潜力。在众多刺激方式中，光刺激脱颖而出。它就像一个神奇的 “遥控器”，可以远程操作，实现时空控制，而且不会产生任何废弃物。为了打造出这种对光有响应的受体，科学家们会在受体结构中引入光开关基团。这些光开关基团就像是受体的 “智能眼睛”，能根据光的信号改变受体的各种特性。
在这样的研究背景下，作者[第一作者单位] 的研究人员为了解决这些难题，在《Nature Communications Chemistry》期刊上发表了题为 “Glucose-based photoswitchable receptors for amino acid esters and biogenic amines in water” 的论文。他们通过一系列研究，成功设计并合成了两种可光开关的受体，用于在水和缓冲液中结合氨基酸酯。这两种受体含有与四 - 邻 - 氟偶氮苯光响应单元相连的一个或两个葡萄糖冠醚。研究发现，受体对带有阳离子侧链的氨基酸甲酯的结合亲和力可以通过偶氮苯单元的光触发异构化来调节。Z 异构体与 E 异构体相比，对双阳离子氨基酸客体显示出更强的结合亲和力，并且 Z 构型的受体更倾向于结合赖氨酸和精氨酸酯的 L - 对映体。此外，研究还对受体与氨基酸酯的结合模式进行了深入探究，这为未来开发具有更高结合亲和力和选择性的光开关受体奠定了基础，有望在生物分析物传感以及生物分子的控制结合和递送等领域发挥重要作用。
为了开展这项研究，研究人员运用了多个关键技术方法。在化合物合成方面，通过多步反应，从 β - 吡喃葡萄糖苷和 4,4’ - 四氟偶氮苯二羧酸出发，经过保护、烷基化、环化等一系列复杂操作，成功制备出目标受体。在受体性质研究上，利用 UV - Vis 光谱和 1H NMR 光谱技术，研究受体的光致变色性质，确定光稳态下 E/Z 异构体的比例等；采用等温滴定量热法（ITC）测定受体与氨基酸甲酯等客体的结合亲和力；借助 NMR 分析和计算模型，深入探讨受体与客体的结合模式。
下面我们一起来看看具体的研究结果：
设计并合成光开关受体
研究人员决定将之前 Lewandowski 等人报道的葡萄糖衍生冠醚与光响应的四氟偶氮苯单元相结合，从而获得可光开关的氨基酸受体。他们制备了两种受体：受体 1 含有两个与 4,4’ - 四氟偶氮苯二羧酸通过吡喃糖环 4 位羟基共轭的葡萄糖冠醚；受体 2 则只有一个葡萄糖冠醚连接到四氟偶氮苯单元上。研究人员推测，Z 异构体形式的光开关能使受体的两个结合基序（对于受体 1 是两个葡萄糖冠醚，对于受体 2 是一个葡萄糖冠醚和羧酸 / 羧酸盐）靠得更近，从而对双阳离子客体具有更高的结合亲和力；而 E 构型时，两个结合位点相距太远，无法同时结合客体分子，导致结合亲和力降低。
受体的光致变色性质研究
受体合成出来后，研究人员接着研究它们的光致变色性质。他们用不同波长的光照射受体样品，通过监测 UV - Vis 吸收光谱随时间的变化，确定达到光稳态所需的时间。利用 1H NMR 光谱，根据偶氮苯单元不同几何构型下芳香质子峰化学位移的差异，测定光稳态下 E/Z 异构体的比例。结果令人欣喜，两种受体在红光（623nm）照射下都能高效地发生光异构化，几乎完全（受体 1 为 90%，受体 2 为 95%）转化为 Z 异构体；在紫光（410nm）照射下，又能迅速（15 秒）完全（两种受体均大于 95%）转变为 E 异构体。此外，还测定了受体 1 光异构化的量子产率，并且发现受体在至少 20 个光开关循环中都表现稳定。
受体与氨基酸甲酯的结合亲和力研究
研究人员用等温滴定量热法（ITC）在水中研究受体与氨基酸甲酯的结合亲和力。他们选择了带有阳离子侧链的氨基酸（赖氨酸 Lys、鸟氨酸 Orn 和精氨酸 Arg）、具有芳香和疏水侧链的氨基酸（苯丙氨酸 Phe 和缬氨酸 Val）以及丙氨酸甲酯（Ala）作为研究对象，还研究了一些生物相关的二胺和寡胺（尸胺、亚精胺和精胺）。结果显示，受体 1 的 Z 异构体对带有阳离子侧链的氨基酸表现出最高的结合亲和力，且这些亲和力在葡萄糖衍生的冠醚类受体中也名列前茅；E 异构体的结合力则弱得多（相差 2.5 - 3 倍）。受体 2 的 Z 异构体对这些氨基酸的亲和力略低于受体 1，且 Z 和 E 异构体之间的结合选择性也较差（相差 2.4 - 2.7 倍）。对于 Val、Phe 和 Ala，两种受体的两种异构体结合亲和力相似。同时，研究发现 Z 异构体对 L - 对映体的赖氨酸和精氨酸的结合力比 D - 对映体强约 2 倍，而 E 异构体几乎没有对映选择性。此外，受体对尸胺的结合亲和力和选择性与对 L - Lys 相似，而对于亚精胺和精胺，受体 1 和 2 的 E 异构体表现出略高的结合亲和力。
在缓冲液中的结合研究
在水中的 ITC 实验取得有希望的结果后，研究人员又测试了两种受体在更复杂且具有挑战性的水性缓冲液环境中对双阳离子客体的光控结合能力。他们在 PBS 缓冲液（pH7.4）中通过 ITC 研究受体与赖氨酸、精氨酸和鸟氨酸甲酯的结合。结果表明，受体的 Z 异构体在 PBS 缓冲液中对氨基酸客体的结合力比在水中弱约两倍，而 E 异构体的结合亲和力下降超过两倍。这使得 Z 异构体受体在 PBS 缓冲液中对客体的结合选择性相对于水有所增加，尤其是 Z - 1 对 L - Lys 的结合力比 E - 1 强 4 倍，对 L - Arg 和 L - Orn 的结合力强 3.5 倍。
结合模式的分析
为了深入了解双阳离子客体与受体 1 和 2 的结合模式，研究人员进行了 NMR 分析。以受体 1 与 L - Lys 以及受体 2 与 L - Orn 的复合物为例，NMR 分析显示，E - 1 主要通过一个冠醚单元与赖氨酸的 α 铵阳离子的库仑相互作用以及 ε 铵与芳香偶氮苯之间的阳离子 - π 相互作用来结合 H - L - Lys - OMe；而 Z - 1 则通过两个冠醚单元与客体的两个铵基团相互作用，形成更稳定的复合物。对于受体 2 与 L - Orn - OMe 的复合物，Z 异构体通过受体的羧酸盐与客体的第二个铵基团进行静电相互作用。此外，计算分析也支持了这些结合模式。同时，研究发现双阳离子客体的结合不会改变受体的光开关性能。
在研究结论和讨论部分，研究人员成功设计并合成了两种用于在水和缓冲液中结合氨基酸酯的光开关受体。这两种受体展现出了吸引人的光致变色特性，其 Z 和 E 异构体热稳定性良好，分别可以通过红光和紫光照射几乎定量地得到。研究表明，光触发的偶氮苯单元异构化能够调节受体对带有阳离子侧链的氨基酸甲酯的结合亲和力，Z 异构体的结合亲和力更强，并且对 L - 对映体的赖氨酸和精氨酸酯具有偏好性。通过 DFT 计算和 NMR 光谱分析，研究人员深入了解了受体与氨基酸酯的结合模式。这项研究为未来开发具有更高结合亲和力和选择性的光开关受体提供了重要的基础，有望在生物分析物传感以及生物分子的控制结合和递送等领域取得进一步的突破，就像为这些领域点亮了一盏明灯，指引着后续研究的方向，对推动相关领域的发展有着重要的意义。
